هنرنمایی جدید هیدروژن در‌دنیای اندام‌های مصنوعی

دانشمندان با معرفی مدل نوینی از ادوات و تجهیزات هیدروژن محور از ارائه نسل جدید اندام‌های مصنوعی انسان خبر می‌دهند که می‌تواند با توان گرفتن از هیدروژن، با اندازه و قدرت عضلات واقعی انسان برابری کند و بار دیگر ضمن تایید نقش محوری این عنصر سبک گازی در آینده صنعت، جان گرفتن اقتصادی نوین را نیز نوید دهد. تحقیقات جدید حاکی از ارائه محصول جدید در قلمرو شبیه‌سازی اندام‌های انسانی است که براساس آن و با بهره‌گیری از مدل‌سازی عضلات مخطط، دانشمندان موفق به ارائه مدلی از عضله مصنوعی شده‌اند که ضمن قدرت‌یابی از عنصر هیدروژن از توان کافی همتای نمونه واقعی خود برخوردار است.

کد خبر: ۳۰۳۱۹۱

رونق بهره‌گیری از گاز هیدروژن در تامین توان مصرفی تجهیزات مختلف و طراحی وسایل هیدروژن محور در حالی است که کی وانگ کیم، دانشیار دانشگاه نوادا که شرح پژوهش وی و گروهش در شماره اخیر نشریه تخصصی مواد و ساختارهای هوشمند منتشر شده معتقد است در حال حاضر علاقه‌مندان و محققان تلاش میکنند تا از هیدروکسیدهای فلزی به عنوان ادوات و وسایل ذخیره‌کننده هیدروژن استفاده کنند و کاری که ما صورت دادیم استفاده از هیدروکسیدهای فلزی برای ارائه نوع جدیدی از عضله مصنوعی محسوب می‌شود.

استفاده از ترکیبات هیدروژن دار فلزی در حالی به گزینه متعارف و دلخواه حوزه تحقیقات علمی و همچنین بخش صنعت و محصولات هیدروژن محور بدل می‌شود که ترکیبات مزبور در شمار فلزاتی با خلوص بسیار بالا جای‌گرفته‌اند و در مقام مقایسه با آنچه برای گاز هیدروژن خالص تحت شرایط سرما و فشار بالا متصور است، این ترکیبات فلزی می‌توانند در درجه حرارت‌ها و فشارهای پایین‌تر به گاز هیدروژن بچسبد و پیوندهای محکم با آن ایجاد کنند.

از این رو، محققان معتقدند به دلیل این که هیدروکسیدهای فلزی مملو از گاز هستند و این گاز آزاد خواهد شد، می‌تواند در حکم تأمین‌کننده منبع قدرت و توان عضلاتی همچون ماهیچه‌های مخطط بدن به شمار رود. اساس مکانیسم توانبخشی عضله‌ای ابداعی محققان بر اصول پایه و ابتدایی دینامیک سیالات و گازها و خاصیت انبساط و انقباض گازها در شرایط فشار و گرما استوار است؛ به نحوی که گرما دادن موجب افزایش آن و خروج هیدروژن و سرد کردن باعث کاهش آن و بازگشت آن به هیدروکسید فلزی می‌شود.

شیوه اتخاذ شده از سوی محققان بر مبنای استفاده از یک وسیله یا اسباب دما برقی (ترموالکتریک) است که انرژی الکتریکی آن را می‌گیرد و به گرما تبدیل می‌کند تا از این طریق کنترل فرآیند آزادسازی گاز میسر شود.

زمانی که دستگاه مزبور گرما را بالا می‌برد و هیدروژن بیشتری آزاد می‌شود، گاز منبسط شده و در نتیجه به سمت خارج فشار وارد کرده و هر چیزی را که به عضله متصل باشد به حرکت درمی آورد. اما به رغم این ساز و کار ساده و قوانین بدیهی مکانیک سیالات، نتایج عملی رویکرد ابتکاری محققان از واقعیت جالب‌توجهی حکایت دارد که طی آن و در خلال آزمون‌های آزمایشگاهی، این عضله مصنوعی60گرمی با حدود 15 سانتی‌متر طول و کمتر از 5/2 سانتی‌متر ضخامت، توانست در عرض کمتر از 2 دقیقه از عهده بلند کردن و بالا کشیدن وزنی معادل27 کیلوگرم برآید.

برخورداری از قابلیت انقباضی قابل توجه نیز ویژگی بارز دیگر این محصول پیکرنمای انسانی است، طوری که از قابلیت انقباضی بین 15 و 30 درصد کل طولش برخوردار است و با قابلیت انقباضی موجود در اکثر عضلات مربوط به استخوان‌بندی انسان که بین 15 و 20 درصد طول را در برمی‌گیرد، برابری می‌کند.

دانشمندان با کمک عنصر هیدروژن، موفق به ارائه مدلی از عضله مصنوعی شده‌اند که همانند عضله واقعی انسان عمل می‌کند

با این اوصاف محققان از دیگر ابعاد توان زایی این عضله مصنوعی غافل نمانده‌اند و در مورد هر دو جنبه افزایش و کند کردن سرعت کارکرد آن نیز به تحقیقات خود ادامه می‌دهند. به نحوی که کوچک‌سازی و کاهش ضخامت این هیدروکسید فلزی از یک سانتی‌متر گرفته تا حدود چند میلی‌متر که در حال حاضر تیم پژوهشی روی آن کار می‌کند سرعت جنبش و حرکت عضله را افزایش خواهد داد و این مهم در حالی توجه محققان را به خود جلب کرده است که ساخت هیدروکسید فلزی ضخیم موجب کندی و تاخیر در حرکت عضلاتی از این دست می‌شود.

البته محققان معتقدند چنین موردی را نمی‌توان مشکلی الکترونیک به حساب آورد و در واقع این که با چه سرعتی می‌توان گرما را به این ساختار اعمال و در مقابل از آن دور ساخت، مسأله اصلی به شمار می‌رود.

در همین خصوص، ژیائوبوتان دانشیار دانشگاه ایالتی میشیگان که مطالعاتی در زمینه عضلات مصنوعی دارد، معتقد است مکانیسم عامل و فعال‌کننده جدید محققان را نمی‌توان صرفا عضله‌ای مصنوعی قلمداد کرد و آنچه در حقیقت این پژوهش جدید را نوآورانه می‌سازد، ترکیب و آمیزش مواد هیدروکسید فلزی به عنوان یک متراکم‌کننده گازی با استفاده از ماده‌ای برقی حرارتی به شمار می‌رود.

محققان معتقدند استفاده از یک هیدروکسید فلزی در قالب متراکم کننده هوایی، به این عضله مصنوعی توانی معادل قدرت عضلات بادی صنعتی می‌بخشد که با گاز تحت فشار کار می‌کند و سال هاست که در ماشین آلات سنگین مورد استفاده قرار گرفته‌اند، اما در این میان و به رغم وجود قدرت تقریبا همسان بین عضله مصنوعی و نمونه‌های مشابه حاضر در ماشین آلات، نباید از نظر دور داشت که این تشابه در حالی است که محصول فناورانه محققان ظریف بوده و فاقد محفظه‌های حجیم و پر سر و صدای گاز و همچنین متراکم سازهای هواست.

در واقع این عضله مصنوعی جدید به نرمی و بی‌سر و صدا عمل می‌کند و در مکانیسم آن از دریچه و سوپاپ و شیر آلات یا پمپ‌هایی که می‌تواند به هر دلیلی از کار بیفتد و نمونه‌های آن در پمپ‌های بادی تحت فشار گاز موجود دیده می‌شود خبری نیست.

از طرفی این عضله جدید بمراتب کوچک‌تر از عضلات بادی رایج است و این حجم و ساختار کوچک تا حدی است که بتواند در آینده نزدیک حضور گزینه جایگزین و قابل تعویضی را در خصوص اندامی نظیر بازوی انسانی نوید دهد.

با این اوصاف، محققان به دستاورد فناورانه خود بسنده نکرده و حتی در اندیشه انجام آزمایش‌هایی با استفاده از مکانیسم‌های فعال‌کننده چندگانه در سامانه‌ای واحد هستند و تلاش دارند در جهت وام گرفتن و نزدیک شدن هر چه بیشتر به زمینه‌های تقلید از ساختارهای انسانی، گامی فراتر گذاشته و اینک نحوه کارکرد توام عضلات دوسر و سه سر بازویی که وظیفه بالا بردن و پایین آوردن بازو را بر عهده دارند، هدف تحقیقات بعدی خود قرار دهند.