Phòng thí nghiệm Baughman, tạo ra các cơ nhân tạo nhỏ. Chúng quay các ống nano carbon thành sợi mạnh hơn thép nhưng nhẹ đến mức nó gần như lơ lửng trong không khí.
Thiên nhiên đã phát triển các công nghệ của mình trong hàng trăm triệu năm, Ray Baughman nói. Bằng cách nhìn vào cách mà thiên nhiên đã giải quyết các vấn đề như cơ bắp, chúng ta có thể phát triển các công nghệ của riêng mình. Ít nhất Baughman là giám đốc của Viện NanoTech tại Đại học Texas ở Dallas. Phòng thí nghiệm của ông tạo ra các cơ nhân tạo rất nhỏ bằng cách kéo sợi tơ của các ống nano carbon nhỏ vô hình thành một sợi phi thường. Pound cho pound, sợi nano này mạnh hơn thép - nhưng nhẹ đến nỗi nó gần như trôi nổi trong không khí. Cuộc phỏng vấn này là một phần của loạt EarthSky đặc biệt, Biomimicry: Nature of Innovation, được sản xuất với sự hợp tác của Fast Company và được tài trợ bởi Dow. Baughman đã nói chuyện với EarthSky, ông Jorge Salazar.
Suy nghĩ của bạn về biimicry là gì? Làm thế nào chúng ta có thể học cách sử dụng các phương pháp tự nhiên để giải quyết vấn đề của con người?
Chúng ta có thể làm điều này theo nhiều cách. Chúng ta có thể cố gắng bắt chước chính xác những gì thiên nhiên đang làm, hoặc càng gần bắt chước cô ấy càng tốt. Điều này được gọi là một phương pháp sinh học. Chúng ta cũng có thể sử dụng những gì được gọi là sinh học. Chúng ta có thể nhìn vào những gì thiên nhiên làm, nhìn vào những gì chúng ta có thể làm với các công nghệ của mình và cố gắng hợp nhất chúng lại với nhau để tạo ra một kết quả đôi khi còn tốt hơn cả tự nhiên có thể làm.
Hãy cho chúng tôi biết về các cơ nhân tạo mà bạn đang phát triển. Làm thế nào để cơ thể cơ bắp tự nhiên truyền cảm hứng cho kết quả đó?
Các cơ trong cơ thể chúng ta co lại để làm việc. Và các cơ, ví dụ, trong các chi của một hợp đồng bạch tuộc. Nhưng như là kết quả của sự co lại này, chúng cung cấp một vòng quay. Tương tự như vậy, các cơ trong thân của một con voi. Họ vết thương một cách xoắn ốc, để khi các cơ này co lại, thân của con voi xoay quanh một khúc cua. Sử dụng công nghệ nano, chúng tôi đã phát triển các cơ nhân tạo có thể xoay mức độ lớn hơn 1.000 lần so với các cơ được tìm thấy trong một con bạch tuộc hoặc một thân voi voi. Các cơ này dựa trên các sợi của ống nano carbon.
Một ống nano carbon là một hình trụ nhỏ bằng carbon có thể bằng một phần mười đường kính của một sợi tóc người. Những sợi này có lẽ có thể nhỏ hơn một phần mười đường kính của tóc người. Nhưng những sợi này được quay bằng cách xoắn chúng, xoắn các ống nano carbon riêng lẻ lại với nhau.
Làm thế nào để các cơ xoắn ống nano carbon hoạt động?
Chúng hoạt động theo những cách hơi giống như cách một con bạch tuộc xoay và hơi giống với cách mà một số loài thực vật có thể theo dõi mặt trời. Hãy nhớ rằng các cơ nhân tạo xoắn này cung cấp động cơ cực kỳ đơn giản. Bạn có một sợi ống nano carbon và bạn có một điện cực đếm, và bạn áp dụng điện áp giữa chúng. Khi bạn đặt điện áp giữa sợi ống nano carbon và điện cực khác này, bạn bơm điện tử vào ống nano carbon. Để cân bằng điện tích này, các ion từ chất điện phân - hãy nhớ rằng đây chỉ là dung dịch muối - di chuyển vào sợi. Khi các ion này di chuyển vào sợi, chúng làm cho sợi bị giãn ra.
Hãy cho chúng tôi về thiết kế của các cơ nhân tạo. Làm thế nào để bạn thực hiện một cơ bắp nhân tạo?
Chúng tôi bắt đầu từ một rừng ống nano carbon. Một ống nano carbon là một hình trụ kích thước nano của carbon. Để cho bạn biết về quy mô nano là gì: một nanomet so với chiều dài của một mét là tỷ lệ đường kính của một viên bi với đường kính của thế giới này. Trong các khu rừng ống nano carbon, các ống nano carbon có đường kính cực nhỏ này được sắp xếp giống như những cây tre trong rừng tre. Nếu bạn nhân rộng một cây tre có đường kính hai inch và nó có cùng tỷ lệ chiều cao so với đường kính của các ống nano carbon mà chúng ta đang sử dụng, thì cây tre sẽ cao một dặm rưỡi.
Chúng tôi rút ra các ống nano carbon từ rừng ống nano carbon theo những cách rất đơn giản. Ví dụ: chúng ta có thể lấy Ghi chú sau nó giống như loại được tạo bởi 3M và có mặt sau dính. Chúng tôi gắn lớp keo này vào bên trong khu rừng ống nano carbon này và vẽ. Và chúng tôi thu được một tấm ống nano carbon.
Tấm ống nano carbon này thực sự là một trạng thái đáng chú ý của vật chất. Nó có mật độ rất lớn về không khí. Thực tế chúng ta có thể làm cho nó có mật độ thấp hơn mười lần so với không khí và thấp hơn mười lần so với mật độ của bất kỳ vật liệu nào mà lòng tự hỗ trợ mà con người tạo ra trước đây. Mặc dù mật độ rất thấp này - nói cách khác, trọng lượng trên một đơn vị thể tích - những tấm ống nano carbon này, trên cơ sở một pound mỗi pound, mạnh hơn thép mạnh nhất và mạnh hơn các polyme được sử dụng cho các phương tiện không khí siêu nhẹ. Độ dày của các tấm này khi chúng dày đặc đến mức bốn ounce của các tấm ống nano carbon này có thể bao phủ một mẫu đất.
Để tạo ra các sợi ống nano carbon mà chúng tôi sử dụng cho các cơ nhân tạo của mình, chúng tôi chèn các sợi xoắn vào các tấm ống nano carbon này khi chúng tôi vẽ chúng từ một khu rừng ống nano carbon. Bằng cách chèn xoắn, chúng tôi cơ bản thu nhỏ một công nghệ mà con người đã thực hành ít nhất 10.000 năm. Bằng cách xoắn các sợi tự nhiên lại với nhau, con người thời kỳ đầu đã có thể tạo ra quần áo để giữ ấm. Chúng tôi thực hành công nghệ tương tự bằng cách sử dụng sợi kích thước nano. Chúng tôi sử dụng các sợi nano carbon xoắn xoắn này để làm cho cơ bắp nhân tạo của chúng tôi.
Làm thế nào những cơ bắp nhân tạo mà bạn đang phát triển trong phòng thí nghiệm sẽ được sử dụng trong thế giới thực?
Hiện tại, chúng tôi đã chế tạo các thiết bị nguyên mẫu, trong đó chúng tôi đã sử dụng các sợi ống nano carbon có đường kính rất nhỏ này để xoay các mái chèo trong cái được gọi là chip vi lỏng. Các nhà công nghệ muốn thu nhỏ quy trình tổng hợp hóa chất và phân tích hóa chất theo cách tương tự như các nhà công nghệ đã có thể thu nhỏ kích thước của các mạch điện tử. Nhưng một vấn đề lớn là các mạch vi lỏng này cần có máy bơm. Kích thước của máy bơm mà mọi người đã có sẵn lớn hơn nhiều so với kích thước của chip mà họ có thể tạo ra. Họ đã có một sự không tương thích. Bạn có một con chip nhỏ, một cái bơm lớn, vậy tại sao có một lợi ích của việc con chip lại nhỏ đến vậy. Sử dụng các cơ nhân tạo xoắn ống nano carbon của chúng tôi, chúng tôi có thể tạo ra các máy bơm có kích thước tương tự như các con chip - tất nhiên là nhỏ hơn nhiều so với kích thước của chip tổng thể. Chúng ta có thể làm van, chúng ta có thể tạo ra máy trộn có kích thước rất nhỏ.
Các cơ nhân tạo xoắn ống nano carbon của chúng tôi có thể xoay các mái chèo nặng hơn hàng nghìn lần so với khối lượng của sợi cơ nhân tạo. Họ có thể cung cấp một sản lượng công việc rất lớn. Chúng có thể tạo ra lực lượng rất lớn và điều này rất quan trọng đối với nhiều ứng dụng khác nhau. Bây giờ chúng ta có thể nói về những gì chúng ta có thể làm ngày hôm nay, và đó là sử dụng các cơ nhân tạo xoắn của chúng ta cho các con chip vi lỏng. Nhưng những gì có thể trong tương lai có thể còn thú vị hơn nữa.
Trong tự nhiên, chúng ta thấy tinh trùng và vi khuẩn được đẩy bằng một thiết bị hình xoắn ốc ở phía sau của chúng. Trong tương lai, các nhà khoa học tưởng tượng có những robot có kích thước nano có thể được tiêm vào cơ thể người và có thể di chuyển qua cơ thể con người để sửa chữa. Có lẽ cơ bắp nhân tạo xoắn của chúng tôi có thể giúp cho tương lai này.