Veto- ja poistovoimia hyödyntäen

Kehon rakenteet robotiikan mallina

Saarlandin yliopiston insinöörit ovat varustaneet keinotekoisen käden lihaksilla, jotka on valmistettu muotonsa muistavista langoista.

Käsi on täydellinen ja matkimisen arvoinen työkalu. Siten myös robottikäden lihassyyt koostuvat hiuksenohuista nikkeli-titaani muistimetallilankojen nipuista. Ne pystyvät jännittymään ja palautumaan lihaksen tapaan.

Materiaalilla on lisäksi aistivia ominaisuuksia, jotka mahdollistavat käden tehdä erittäin tarkkoja liikkeitä sekä tunnistaa kun joku puuttuu liikkeeseen. Näin ihminen ja robottikäsi voivat työskennellä yhdessä.

Ihmisen lihasta matkiva nippu voi supistua ja rentoutua nopeasti samalla kun se tuottaa vahvan vetovoiman," kertoo insinööri Filomena Simone (kuvassa), joka työskentelee keinotekoisen käden parissa osana väitöstutkimustaan.

Nopean palautumisen mahdollistaa nopea jäähtyvyys, koska yksittäisten lankojen paljous tuottaa suuren pinta-alan, josta lämpö voi poistua.

Muistimetalliseoksiset johtimet ovat kevyitä, joustavia ja toimivat äänettömästi. Lisäksi niillä on korkein energiatiheys kaikista tiedossa olevista voimansiirtomekanismeista, mikä mahdollistaa niiden suorittaa voimakkaita liikkeitä ahtaissa tiloissa, toteaa tutkimusta johtanut Stefan Seelecke.

Robotiikassakin käytettävät erilaiset sähkömagneettiset rakenteet hyödyntävät veto- ja poistovoimia. Sen sijaan rakenteellisia materiaaleja kuten keramiikkaa ja muoveja vahvistetaan lisäämällä niiden osien välistä vetovoimaa mutta näissä ei kukaan ole tainnut yrittänyt hyödyntää repulsiovoimaa.

Kuitenkin tiedetään, että eläinten nivelrusto rakentuu negatiivisesti varautuneista tiheistä polymeereistä ja ruston suuri kantavuus ja kulutuskestävyys johtuvat sähköstaattisesta hylkimisvoimasta.

Japanilaisten NIMS- ja RIKEN tutkimuslaitosten yhteistyönä on nyt kehitetty materiaalia, jonka rakennetta tukee sisältä tuleva sähköstaattinen repulsiovoima.

Materiaali osoitti kestävänsä suuria pystysuuntaisia kuormia mutta samalla kun se vääntyi helposti vaakasuunnassa. Sellaisena se toimii esikerkiksi hyvänä tärinää vaimentava materiaalina.

Materiaali koostuu veteen dispergoiduista polyanionisista titaanioksidien päällekkäisistä nanoarkeista, joilla kohtisuorassa magneettikentässä on vahva anisotrooppinen sähköstaattinen hylkimisvoima.