Super karavīri

Pagājušā gada beigās ASV armija devās iepirkties pēc dažām jaunām uniformām. To neinteresēja kamuflāžas kombinezoni un olīvu drābi vai pat labākas Afganistānas karavīru valkātā augsto tehnoloģiju aprīkojuma versijas. Armija vēlējās vieglu kaujas formastērpu, kas spēj apturēt lodes un toksīnus, uzraudzīt karavīra veselību, sazināties ar tālvadības komandieriem, pat nodrošinot pārcilvēcisku spēku. Taču, neskatoties uz šīs vīzijas ekstravaganci un lai arī viņi meklēja palīdzību akadēmiskajās pētniecības iestādēs, armijas amatpersonas skaidri pauda vēl vienu būtisku vēlmi. Kā atceras MIT materiālu zinātnieks Edvīns Tomass, viņi nevēlējās tikai dokumentus Zinātne vai Daba . Viņi gribēja īstas lietas.

Īstas lietas ir tieši tas, ko MIT pētnieki pagājušā gada janvārī prezentēja viesu armijas komandai. Mehāniskais inženieris Ians Hanters nospēlēja video, kurā redzams raustīšanās melns lentes gabals — mākslīgais muskulis, kas izplešas un saraujas, kas kaujas formas tērpā varētu veidot žņaugu vai palielināt kāju spēku. Materiālu zinātnieks Joels Finks parādīja dažus mirdzošus optiskos pavedienus, kas spēj ar lielu specifiskumu atstarot un absorbēt dažādus gaismas viļņu garumus — šo īpašību varētu izmantot attālinātai infrasarkanajai saziņai, kas, piemēram, ļautu karavīriem naktī klusībā identificēt sevi sabiedroto priekšā. Mācībspēki paskaidroja, kā darbojas mikroskopiskais sensors, ko MIT ķīmiķis Tims Svagers bija izveidojis, tikai dažu molekulu platumā un kas varētu izvilkt karavīra elpu, meklējot ķīmiskās stresa pazīmes.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2002. gada oktobra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Spēks

Jaunā institūta galvenais mērķis ir izveidot kaujas formas tērpu, kurā ir iebūvēts spēks, kas palīdz karavīram pacelt smagus priekšmetus, sūknēt dzesēšanas šķidrumus pa iegultiem kanāliem vai nostiprināt asiņojošu brūci. Hantera raustīšanās melnā lente ir agrīna pazīme, ka nanomateriāli varētu nodrošināt šādu spēku.

Lente ir izgatavota no elektroaktīva polimēra, kas var kustēties vai mainīt formu, reaģējot uz elektrisko signālu. Pētnieki jau sen ir iecerējuši izmantot šos polimērus, kas var būt 100 reizes spēcīgāki par cilvēka muskuļiem, kā mākslīgos muskuļus. Taču līdz šim tās ir izrādījušās nepraktiskas kā muskuļiem līdzīgas mašīnas, galvenokārt tāpēc, ka to kustības ir samērā gausas, kā arī tāpēc, ka tās ir spējušas sarauties vai paplašināties tikai par dažiem procentiem no sava garuma. Cilvēka muskuļi var sarauties un paplašināties par 20 procentiem.

Tomēr Hunter's un Swager laboratorijās pētnieki nesen ir sadarbojušies, lai gūtu lielus panākumus materiāla ar pietiekamu kustību diapazonu, lai tas būtu noderīgs. Galvenais ir virkne molekulu, kas darbojas kā stieņi un eņģes. Pagriežoties uz eņģēm, stieņi atgrūž vai piesaista viens otru, kad tiek uzlikts vai noņemts lādiņš. Piestiprinot miljoniem šo stieņu un eņģu kā saliekama lineāla segmentus, pētnieki varēja izveidot polimērus, kas pagarinās un saīsinās, reaģējot uz elektriskiem stimuliem. (skatiet zemāk Molecular Muscle) . No šiem polimēriem izgatavota plēve rada muskuļiem līdzīgas kustības. Pēdējo dažu mēnešu laikā, saka Hanters, mēs esam dubultojuši kustību diapazonu, tuvojoties cilvēka muskuļu šūnu diapazonam.

Molekulārie muskuļi

Polimērs, kas saraujas un izplešas tikpat daudz kā cilvēka muskuļi, izmanto molekulāras eņģes un stieņus. Stieņi atgrūž un piesaista viens otru, kad tiek uzlikts lādiņš (augšā) un noņemts (apakšā). (Džona Maknīla ilustrācija)

Polimēra izplešanās un saraušanās spējas palielināšanās apvienojumā ar tā iespaidīgo spēku, ko pētnieki vēl nav izmērījuši, bet prognozē, ka tas ir desmit reizes lielāks nekā cilvēka muskuļiem, varētu ļaut izmantot kaujas formastērpu, kurā ir iestrādāti 1,4 kilogrami materiāla. pacelt 80 kilogramus viena metra augstumā. Citiem vārdiem sakot, karavīrs varētu bez piepūles pacelt smagu aprīkojumu vai pat kritušo biedru. Problēma: tas aizņemtu vismaz minūti, saka Džons Madens, Britu Kolumbijas universitātes elektroinženieris Vankūverā, kurš vēl nesen vadīja elektroaktīvo polimēru izpēti Hantera laboratorijā.

Nākamais šķērslis ir šiem elektroaktīvajiem polimēriem noderīga ātruma nodrošināšana. Tam būs jāsamazina materiālu elektriskā pretestība, tāpēc pielietotais lādiņš var veikt savu darbu ātrāk. Pētnieki plāno samazināt pretestību, nākamajās materiālu paaudzēs iekļaujot oglekļa nanocaurules — garas, caurulēm līdzīgas molekulas. Dažas oglekļa nanocauruļu versijas ir lieliski elektriskie vadītāji, kas var daudz ātrāk nodrošināt lādiņu visā materiālā. Hunter un Swager grupas cer piecu gadu laikā izveidot mākslīgus muskuļus, kas ir tikpat ātri kā cilvēka muskuļi.

Lielākais izaicinājums ir muskuļu materiāla integrēšana ar pārējo karavīra uzvalku. Elektroaktīvie polimēri, piemēram, ir jāieslēdz elektroenerģijas sadales un signalizācijas sistēmā; parastā elektroinstalācija vienkārši ir pārāk stingra, lai savienotu raustošu, lokanu materiālu. Tāpēc pagājušajā gadā Hanters un viņa kolēģi ir izstrādājuši lentveida vadus, kas izgatavoti no elastīgiem elektriski vadošiem polimēriem. Tā vietā, lai stingras vara stieples nonāktu polimēra audos, mums būs audiem līdzīgi vadi, saka Hanters.

Komunikācija

Lai uzvalks varētu sazināties ar ārpasauli, būs nepieciešamas citas tehnoloģijas. Šī gada sākumā MIT uzņēmums Fink paziņoja par pārklātu polimēru pavedienu izstrādi, kas varētu būt tieši tas, kas nodrošina klusu saziņu ar attāliem sabiedrotajiem vai komandieriem, izmantojot redzamo vai infrasarkano gaismu.

Finka pavedieni spēj selektīvi atspoguļot vai absorbēt dažādus gaismas viļņu garumus, pateicoties to pārklājumam, kurā ir iekļauti daudzi īpaši plāni divu caurspīdīgu materiālu slāņi - viens organisks, otrs neorganisks. Abi materiāli palēnina gaismu dažādos ātrumos. Rezultātā atstarošanās sacelšanās šajos slāņos daži viļņu garumi tiek spēcīgi atspoguļoti atpakaļ no šķiedras, bet citi tiek atcelti. Tas, kādi viļņu garumi tiek atspoguļoti, ir atkarīgi no slāņu biezuma, kas var svārstīties no 100 līdz 1000 nanometriem un ko var precīzi kontrolēt.

Lai gan lielākā daļa fotonikas pētnieku strādā pie mikroshēmām un citiem optisko telekomunikāciju sīkrīkiem, Finka grupa ir pirmā, kas izveido fotonisku pavedienu, no kura var izgatavot tekstilizstrādājumu, saka Eli Yablonovitch, elektroinženieris Kalifornijas Universitātē Losandželosā. pionieris optisko materiālu jomā. Viens no iespējamiem šo pavedienu izmantošanas veidiem: kaujas formas tērpa daļa, kas spēcīgi atspoguļo īpašu apkārtējās infrasarkanās gaismas zīmi. Piemēram, nakts apšaudes laikā šāds optiskais svītrkods varētu identificēt karavīru kā draugu karaspēka biedram, kas aprīkots ar nakts redzamības brillēm, kas noregulētas uz pareizo atstaroto gaismu. Un Finka komanda arī vēlētos izdomāt veidu, kā šos materiālus noregulēt lidojuma laikā, lai viļņa garumu varētu mainīt elektriski (un attālināti), ja ienaidnieks noķertu formas tērpu.

Tas ir īpašs izaicinājums, saka Jablonovičs. Ir daudz risinājumu. Tikai nav labu. Viņš saka, ka viņiem ir savs darbs, lai padarītu to praktisku armijai.

Pagaidām Finka grupa virzās uz priekšu ar vairākām pieejām, lai padarītu optiskās šķiedras noskaņojamas. Viena stratēģija ietver sava veida stiepšanās statnes izveidi, kas varētu savilkt šķiedras. Spriegums sašķaidītu slāņus, mainot atstarotā viļņa garumu (skatiet tālāk norādīto precīzo regulēšanu) . Otrajā pieejā tiek izmantots fakts, ka viens no slāņos esošajiem materiāliem – arsēna triselenīds – elektriskā lauka klātbūtnē palēnina gaismu ar atšķirīgu ātrumu; mainiet lauku un maināt visas šķiedras atspulgu. Finks saka, ka šīs pieejas divu gadu laikā varētu radīt noskaņojamu šķiedru.

Laba skaņa

Šķērsgriezumā parādīti optisko materiālu ārējie slāņi, kas pārklāj polimēra pavedienu. Slāņu biezums nosaka gaismas atstarošanas veidu.

Pirms: Ja viļņa garums atšķiras no slāņu biezuma, gaisma var iziet cauri.

Pēc: Izstiepjot pavedienu, slāņi var kļūt plānāki, lai to platums atbilstu sarkanajam viļņa garumam. Pie katras robežas starp slāņiem tiktu atstarota sarkanā gaisma (pārtraukta līnija), un daļa turpinātos.

Aizsardzība

Protams, formas tērpa galvenais uzdevums ir aizsargāt karavīru, un spēja izlēkt no kaitējuma vai klusībā paziņot par sevi sabiedrotajiem to darītu netieši. Taču armijas vīzija ir par uzvalku, kas arī nodrošinātu tiešu aizsardzību pret visu, sākot no lodēm un beidzot ar Sibīrijas mēri. Uzlabota ballistikas aizsardzība šobrīd galvenokārt ir teorētiska, taču daži ļoti reāli līdzekļi pret bioloģiskiem un ķīmiskiem uzbrukumiem jau ir pieejami.

Viena no šādām tehnoloģijām ir balstīta uz ļoti sazarotām polimēru molekulām, ko sauc par dendrimeriem. Pārveidojot dendrimera zaru galus tā, lai katrs no tiem pieliptu pie bīstamas molekulas un padarītu to nekaitīgu, armijas pētnieki jau ir radījuši aizsargājošu vielu ar lielu absorbcijas spēju pret savu svaru. Bet līdz šim viņi ir spējuši izmantot vielu, tikai sajaucot to saules aizsargkrēmā. Problēma ar šīs tehnoloģijas pievienošanu karavīra tērpam ir tāda, ka dendrimeri viegli nelīp viens pie otra, un tāpēc tos ir grūti izveidot par stabilu materiālu, kas izturētu kaujas lauka un veļas mazgājamās mašīnas ļaunprātīgu izmantošanu.

Lai palīdzētu izgatavot izturīgāku materiālu, MIT ķīmijas inženiere Paula Hamonda izstrādāja dendrimerus ar astēm. Šīs astes, kas ir vairākas reizes garākas par dendrimeru zariem, mēdz sapīties viena ar otru, noturot molekulas kopā, neliedzot zariem veikt savu darbu. Tā ir kā plaša sakņu sistēma molekulāro koku mežam, un tā varētu ļaut noenkurotajiem dendrimeriem izveidot stingru aizsargplēvi. Šīs tehnoloģijas šobrīd tikai top. Mēs varam tos ņemt un sākt tos iekļaut audumos un pārklājumos, saka Hamonds.

MIT pētnieki arī strādā pie tehnoloģijām, kas varētu palīdzēt attālināti uzraudzīt karavīra veselību neatkarīgi no tā, ar kādiem apdraudējumiem viņš vai viņa varētu saskarties. Piemēram, iebūvētie sensori, kas nosaka ķermeņa ķīmijas izmaiņas, var palīdzēt noteikt, vai kritušais karavīrs ir smagi ievainots vai var gaidīt palīdzību. Šādiem sensoriem jābūt ārkārtīgi jutīgiem, bet arī izturīgiem un vienkārši lietojamiem.

Un Swager ir spēris labu pirmo soli. Izmantojot speciāli izstrādātus polimērus kā detektoru, Swager nesen ir izstrādājis ierīci slāpekļa oksīda, ķīmiskās vielas, kas atrodas cilvēka izelpā, koncentrācijas noteikšanai. Slāpekļa oksīds palielinās, kad ķermenis ir noslogots (skatiet tālāk sadaļu Sensing Health) . Slāpekļa oksīda mērījums vien var neatspoguļot visu stāstu, taču sensors ir pirmais elements, kas varētu būt daļa no veidiem, kā novērtēt karavīra fizioloģisko stāvokli, saka Swager.

Veselības sajūta

Sensors, kas izmanto elektriski vadošu polimēru, var tieši noteikt slāpekļa oksīda koncentrāciju karavīra izelpā. Kobalta atomi polimērā saistās un atbrīvo slāpekļa oksīda molekulas, izraisot polimēra pretestības svārstības, kas atrodas starp elektrodiem. (Džona Maknīla ilustrācija)

Slāpekļa oksīda detektors izmanto nanoskopiskus polimēru vadus, kas spēj vadīt elektrību. Kad slāpekļa oksīds saistās ar polimēru, tas rada elektriskās pretestības izmaiņas, kuras var viegli noteikt. Turklāt slāpekļa oksīda molekulas ātri nokrīt no sensora, dodot ierīcei iespēju nodrošināt nepārtrauktus ķīmiskās vielas koncentrācijas mērījumus.

Lai gan mūsdienās Swager ierīce ir tikai prototips, to galu galā varētu iekļaut maskā vai karavīra tērpa audumā, lai noteiktu citas ķīmiskas vielas, piemēram, ogļūdeņražus un ketonus, kas var būt stresa vai slimības indikatori, vai atklāt bioloģiskos un ķīmiskos aģentus.

Integrācija

Pat tad, kad Swager un citi institūta pētnieki turpina izplatīt šādus jaunus materiālus un ierīces, viņi jau domā par to, kas galu galā būs viņu lielākais izaicinājums: likt visiem viņu izgudrojumiem darboties kopā masveidā ražotā uzvalkā. Tā būs sistēmu un integrācijas problēma, kādu mēs nekad iepriekš neesam redzējuši, saka Swager.

Šeit DuPont varētu palīdzēt. Uzņēmumam ir gadu desmitiem ilga pieredze tādu īpaši stipru materiālu kā Kevlar, ko izmanto ložu necaurlaidīgo vestēm, izstrādē. Tagad tas palīdzēs radīt jaunus procesus vairāku nanomateriālu integrēšanai vienā tekstilizstrādājumā. Viena problēma: ne visi polimēri ir saderīgi. Tie nav vienādi, un viņi neizturas vienādi, saka Veins Māršs, DuPont Centrālās pētniecības un attīstības pētniecības vadītājs Vilmingtonā, DE. Daži ir izgatavoti ļoti atšķirīgi; tas pats process var noārdīt vienu polimēru, veidojot citu. Lai saskaņotu šīs atšķirības, būs jāpielāgo polimēru ķīmija vai jāpievieno pārklājumi, lai aizsargātu tos vienu no otra. Kopumā tas ir ļoti noderīgs, saka Tomass. Tas ir kā Džeks Kilbijs no Texas Instruments 1950. gadu sākumā, domājot par tikai desmitiem vai simtiem tranzistoru izgatavošanu vienā silīcija mikroshēmā. Jums jāsaka: kā mēs to darītu?

Armijas misiņš un civilā medicīnas aprindām ir lielas cerības, ka Tomass un viņa MIT kolēģi atradīs atbildi, izdomājot ne tikai to, kā pilnveidot jaunus materiālus un ierīces, bet arī kā tos apvienot ar revolucionāriem rezultātiem. Bet tie ir reāli. Es nezinu, vai tas viss dos to, ko es gribu, kad es to vēlos, un darīšu to par pieņemamu cenu, saka armijas pārstāvis Endrjūss.

Protams, jaunais institūts piecu gadu laikā neizgatavos pilnu integrēto kaujas formastērpu. Tā vietā panākumi šajā laika skalā nozīmēs daudz vieglāku ložu izturīgu vesti vai izturīgu drauga vai ienaidnieka optisko materiālu, saka Tomass. Viņš saka, ka viens no veiksmes rādītājiem būs tas, ja būsim pievērsuši armijas cilvēku uzmanību un pārliecību, ka viņi tic nanotehnoloģiju izmantošanai atsevišķam karavīram. Lielus panākumus gūs, ja mēs patiešām iedosim kaut ko taustāmu karavīra rokās. Tas nebūs viegli. Taču, ņemot vērā institūta galveno sākumu materiālu izstrādē, ASV armijai ir vismaz kaujas iespējas iegūt vajadzīgo formastērpu.

paslēpties