Baughmans laboratorium skaber små kunstige muskler. De spinder kulstofnanorør i garn, der er stærkere end stål, men alligevel så let, at det næsten flyder i luften.
Naturen har udviklet hendes teknologier i mange hundreder af millioner af år, sagde Ray Baughman. ”Ved at se på, hvordan naturen har løst problemer som muskler, kan vi fremme vores egne teknologier.” Baughman er direktør for NanoTech Institute ved University of Texas i Dallas. Hans laboratorium skaber meget små kunstige muskler ved at spinde filamenter af usynligt små kulstofnanorør i et ekstraordinært garn. Pund for pund, dette nano-garn er stærkere end stål - men alligevel er så let, at det næsten flyder i luften. Dette interview er en del af en speciel EarthSky-serie, Biomimicry: Nature of Innovation, produceret i partnerskab med Fast Company og sponsoreret af Dow. Baughman talte med EarthSky's Jorge Salazar.
Hvad er dine tanker om biomimik? Hvordan kan vi lære at bruge naturens metoder til at løse menneskelige problemer?
Vi kan gøre dette på flere måder. Vi kan prøve at efterligne nøjagtigt, hvad naturen laver, eller så tæt på at efterligne hende som muligt. Dette kaldes en biomimicry-tilgang. Vi kan også bruge det, der kaldes bioinspiration. Vi kan se på, hvad naturen gør, se på, hvad vi kan gøre med vores teknologier, og prøve at flette dem sammen for at producere et resultat, der undertiden er endnu bedre, end naturen kan gøre.
Fortæl os om de kunstige muskler, du udvikler. Hvordan inspirerer kroppens naturlige muskler dette resultat?
Musklerne i vores krop sammentrækkes for at udføre arbejde. Og musklerne, for eksempel i lemmerne i en blæksprutte-kontrakt. Men som et resultat af denne sammentrækning giver de en rotation. Ligeledes musklerne i en elefantstamme. De er spiralformet viklet, så når disse muskler trækker sig sammen, roterer elefantens bagagerum omkring en vending. Ved hjælp af nanoteknologi har vi udviklet kunstige muskler, der kan rotere 1.000 gange større grad pr. Længde end musklerne, der findes i en blæksprutte eller en elefantstamme. Disse muskler er baseret på garn af kulstofnanorør.
En carbon nanotube er en lille cylinder af kulstof, der kan være en ti tusindedel af diameteren på et menneskehår. Disse garner kan måske være mindre end en tiendedel af menneskehårets diameter. Men disse garner spindes ved at dreje dem, sno de individuelle kulstofnanorør sammen.
Hvordan fungerer disse kulstof nanorør torsionsmuskler?
De fungerer på måder, der ligner den måde, hvorpå en blæksprutte-lem roterer, og lidt den samme som den måde, visse planter kan følge solen på. Husk, at disse kunstige torsionsmuskler leverer motorer, der er ekstremt enkle. Du har et kulstof nanorørgarn, og du har en modelektrode, og du anvender spænding mellem dem. Når du bruger en spænding mellem carbon nanotube garnet og denne anden elektrode, indsprøjter du elektronisk ladning i carbon nanotube. For at afbalancere denne elektroniske ladning migrerer ioner fra elektrolytterne - husk, at dette bare er en saltopløsning, ind i garnet. Når disse ioner vandrer ind i garnet, får de garnet til at ekspandere.
Fortæl os om designet til de kunstige muskler. Hvordan laver du en kunstig muskel?
Vi starter fra en skov af kulstofnanorør. En carbon nanotube er en cylinder af nanostørrelse af kulstof. For at give dig en idé om, hvad nanoskalaen er: et nanometer sammenlignet med en meters længde er forholdet mellem en marmors diameter og denne verdens diameter. I carbon nanotube skove er disse ekstreme små carbon nanorør arrangeret som bambustræer i en bambuskov. Hvis du skalererede et bambustræ med en to tommer i diameter og det havde samme forhold mellem højde og diameter af kulstofnanorørene, som vi bruger, ville bambustreet være en kilometer og en halv høj.
Vi trækker disse carbon nanorør fra carbon nanotube skoven på meget enkle måder. For eksempel kan vi tage Post-It-noter som den type, der er lavet af 3M, og som har en klæbende bagside. Vi fastgør dette klæbemiddellag til sidevæggen i denne carbon nanorørskov og tegner. Og vi får et ark kulstof nanorør.
Dette ark kulstof nanorør er virkelig en bemærkelsesværdig tilstand. Det har en densitet, der handler om luftens. Vi kan få den til at have en tæthed, der er ti gange lavere end for luft, og ti gange lavere end densiteten af ethvert materiale, der er selvbærende, som tidligere er blevet fremstillet af menneskeheden. På trods af denne meget lave tæthed - med andre ord vægt pr. Volumenhed - er disse carbon nanotube-plader på et pund pr. Pund stærkere end det stærkeste stål og stærkere end de polymerer, der bruges til ultralette luftkøretøjer. Tykkelsen af disse ark, når de er tætnet, er så lille, at fire ounces af disse carbon nanotube ark kunne dække en acre jord.
For at fremstille vores carbon nanotube garn, som vi bruger til vores kunstige muskler, indsætter vi vendinger i disse carbon nanotube ark, når vi trækker dem fra en carbon nanotube skov. Ved at indsætte vendinger nedskærer vi dybest set en teknologi, som mennesker har praktiseret i mindst 10.000 år. Ved at vri naturlige fibre sammen, var tidlige mennesker i stand til at fremstille tøj for at holde dem varme. Vi praktiserer den samme teknologi ved hjælp af fibre i nanostørrelse. Vi bruger disse twist-spundet kulstof nanorørfibre til at gøre vores kunstige muskler.
Hvordan bruges disse kunstige muskler, du udvikler i laboratoriet, i den virkelige verden?
I øjeblikket har vi lavet prototype-enheder, hvor vi brugte disse meget små diameter carbon nanotube garner til at rotere padler i det, der kaldes microfluidic chips. Teknologer ønsker at nedbringe syntese af kemikalier og analysen af kemikalier på samme måde som teknologer har været i stand til at nedbringe dimensionerne af elektroniske kredsløb. Men et stort problem har været, at disse mikrofluidiske kredsløb kræver pumper. Størrelsen på de pumper, som folk havde til rådighed, er meget større end størrelsen på de chips, de kunne fremstille. De havde en inkompatibilitet. Du har en lille chip, en stor pumpe, så hvorfor er der en fordel ved, at chippen er så lille. Ved hjælp af vores carbon nanotube torsions kunstige muskler kan vi lave pumper, der er på samme måde dimensioneret som chips - naturligvis meget mindre end dimensionen af den samlede chip. Vi kan lave ventiler, vi kan lave blandere, der har meget små dimensioner.
Vores carbon nanotube torsions kunstige muskler kan dreje padler, der er flere tusinde gange tungere end massen af det kunstige muskelgarn. De kan give en meget stor arbejdseffekt. De kan generere meget store kræfter, og det er vigtigt for en række forskellige anvendelser. Nu kan vi tale om, hvad vi kan gøre i dag, og det er at bruge vores torsions kunstige muskler til mikrofluidiske chips. Men hvad der er muligt i fremtiden, kan være endnu mere spændende.
I naturen ser vi sædceller og bakterier blive fremdrevet af en korkeskrueformet udstyr på deres bagenden. I fremtiden forestiller forskere sig at have nanoskala-robotter, der kunne injiceres i den menneskelige krop og kan bevæge sig gennem den menneskelige krop, der udfører reparationer. Måske kan vores torsions kunstige muskler hjælpe med at aktivere denne fremtid.