süper askerler
Geçen yılın sonlarında ABD Ordusu yeni üniformalar için alışverişe gitti. Kamuflaj tulumlar ve zeytuni elbiselerle, hatta Afganistan'daki askerler tarafından giyilen yüksek teknolojili teçhizatın daha iyi versiyonlarıyla ilgilenmiyordu. Ordunun istediği, mermileri ve toksinleri durdurabilen, bir askerin sağlığını izleyebilen, uzaktan kumandanlarla iletişim kurabilen, hatta insanüstü güç sağlayan hafif bir savaş üniformasıydı. Ancak bu vizyonun savurganlığına ve yardım için akademik araştırma kurumlarına başvurmalarına rağmen, ordu yetkilileri başka bir önemli arzuyu açıkça belirttiler. MIT malzeme bilimcisi Edwin Thomas'ın hatırladığı gibi, sadece kağıtları istemiyorlardı. Bilim veya Doğa . Gerçek şeyler istediler.
Gerçek şeyler, tam olarak MIT araştırmacılarının geçen Ocak ayında ziyaret eden bir ordu ekibine sunduğu şeydir. Makine mühendisi Ian Hunter, seğiren bir siyah kurdele parçasının videosunu oynattı - savaş üniforması içinde turnike oluşturabilen veya bacak gücünü artırabilen genişleyen ve büzülen yapay bir kas. Malzeme bilimcisi Yoel Fink, ışığın farklı dalga boylarını büyük bir özgüllükle yansıtabilen ve emebilen bazı parıldayan optik ipleri gösterdi - örneğin, askerlerin geceleri kendilerini sessizce müttefiklerine tanıtmalarına izin veren uzaktan kızılötesi iletişim için kullanılabilecek bir özellik. Öğretim üyeleri, MIT kimyager Tim Swager'ın inşa ettiği, sadece birkaç molekül genişliğinde, bir askerin nefesini kimyasal stres belirtileri için koklayabilen mikroskobik bir sensörün işleyişini açıkladı.
Bu hikaye Ekim 2002 sayımızın bir parçasıydı.
- Sorunun geri kalanına bakın
- Abone
Kuvvet
Yeni enstitünün temel amacı, bir askerin ağır nesneleri kaldırmasına, soğutma sıvılarını gömülü kanallardan pompalamasına veya kanayan bir yaranın etrafını sertleştirmesine yardımcı olacak güçte yerleşik bir güce sahip bir savaş üniforması yaratmaktır. Hunter'ın seğiren siyah şeridi, nano malzemelerin bu tür bir gücü sağlayabileceğinin erken bir göstergesidir.
Şerit, bir elektrik sinyaline yanıt olarak hareket edebilen veya şekil değiştirebilen elektroaktif bir polimerden yapılmıştır. Araştırmacılar, insan kasından 100 kat daha güçlü olabilen bu polimerleri yapay kaslar olarak kullanmayı uzun zamandır hayal ediyorlardı. Ancak şimdiye kadar, büyük ölçüde hareketlerinin nispeten yavaş olması ve ayrıca uzunluklarının yalnızca yüzde birkaçı kadar daralabilmeleri veya genişleyebilmeleri nedeniyle, kas benzeri makineler olarak pratik olmadıklarını kanıtladılar. İnsan kası yüzde 20 oranında kasılıp genişleyebilir.
Bununla birlikte, Hunter's ve Swager'ın laboratuvarlarında, araştırmacılar, yararlı olması için yeterli hareket aralığına sahip bir malzemeye doğru büyük adımlar atmak için yakın zamanda birlikte çalıştılar. Anahtar, çubuklar ve menteşeler gibi çalışan bir dizi moleküldür. Menteşeler üzerinde dönen çubuklar, bir yük uygulandığında veya kaldırıldığında birbirini iter veya çeker. Araştırmacılar, bu çubuklardan ve menteşelerden milyonlarcasını katlanan bir cetvelin parçaları gibi uçtan uca bağlayarak, elektriksel uyaranlara tepki olarak uzayan ve kısalan polimerler yaratmayı başardılar. (bkz. Moleküler Kas, aşağıda) . Bu polimerlerden yapılmış bir film, kas benzeri hareketler üretir. Son birkaç ay içinde, diyor Hunter, insan kas hücrelerinin hareket aralığına yaklaşarak hareket aralığını ikiye katladık.
moleküler kas
|İnsan kası kadar kasılan ve genişleyen bir polimer, moleküler menteşeler ve çubuklar kullanır. Bir yük uygulandığında (üstte) ve kaldırıldığında (altta) çubuklar birbirini iter ve çeker. (John MacNeill'in çizimi)|
Polimerin ne kadar genişleyip büzülebileceğindeki bu artış, araştırmacıların henüz ölçmediği, ancak insan kasının on katı olduğunu tahmin ettiği etkileyici gücü ile birleştiğinde, 1.4 kilogram malzeme ile gömülü bir savaş üniformasına makul bir şekilde izin verebilir. 80 kilogramı bir metre yükseğe kaldırmak için. Başka bir deyişle, bir asker, ağır bir ekipmanı veya hatta düşmüş bir yoldaşı zahmetsizce kaldırabilir. Sorun: Bunun en az bir dakika alacağını söylüyor, Vancouver'daki British Columbia Üniversitesi'nde elektrik mühendisi olan ve yakın zamana kadar Hunter'ın laboratuvarında elektroaktif-polimer araştırmalarına başkanlık eden John Madden.
Bu elektroaktif polimerlere faydalı hız kazandırmak bir sonraki engeldir. Malzemelerin elektrik direncinin azaltılmasını gerektirecektir, böylece uygulanan bir yük işini daha hızlı yapabilir. Araştırmacılar, malzemelerin gelecek nesillerine karbon nanotüpleri (uzun, boru benzeri moleküller) ekleyerek direnci azaltmayı planlıyorlar. Karbon nanotüplerin belirli versiyonları, malzeme boyunca çok daha hızlı bir şekilde şarj sağlayabilen mükemmel elektrik iletkenleridir. Hunter ve Swager grupları, beş yıl içinde insan kası kadar hızlı yapay kaslar yapmayı umuyor.
Kas malzemesini asker kıyafetinin geri kalanıyla bütünleştirmek daha büyük zorluktur. Elektroaktif polimerlerin, örneğin, bir güç dağıtım ve sinyalizasyon sistemine bağlanması gerekir; geleneksel kablolama, seğiren, esneyen bir malzemeyi bağlama işi için çok katıdır. Böylece geçtiğimiz yıl, Hunter ve çalışma arkadaşları, esnek, elektriksel olarak iletken polimerlerden yapılmış şerit benzeri teller geliştirdiler. Hunter, polimer dokuya giren sert bakır teller yerine dokuya giren doku benzeri tellere sahip olacağız, diyor.
İletişim
Giysinin dış dünyayla iletişim kurmasını sağlamak için başka teknolojilere ihtiyaç duyulacaktır. Bu yılın başlarında, MIT'den Fink, görünür veya kızılötesi ışık kullanarak uzak müttefikler veya komutanlar ile sessiz iletişim sağlayan, tam da olabilecek kaplamalı polimer ipliklerin geliştirildiğini duyurdu.
Fink'in iplikleri, biri organik, diğeri inorganik olmak üzere iki şeffaf malzemeden oluşan çok sayıda ultra ince katman içeren kaplamaları sayesinde, ışığın farklı dalga boylarını seçici olarak yansıtabilir veya emebilir. İki malzeme ışığı farklı oranlarda yavaşlatır. Bu katmanlar içinde ortaya çıkan yansıma isyanında, bazı dalga boyları fiberden güçlü bir şekilde geri yansıtılır ve diğerleri iptal edilir. Hangi dalga boylarının yansıtılacağı, 100 ila 1.000 nanometre arasında değişebilen ve hassas bir şekilde kontrol edilebilen katmanların kalınlığına bağlıdır.
Fotonik araştırmacılarının çoğu, optik telekomünikasyon için çipler ve diğer araçlar üzerinde çalışırken, Fink'in grubu, bir tekstile dönüştürülebilecek bir fotonik iplik inşa eden ilk kişidir, diyor California Üniversitesi, Los Angeles'ta elektrik mühendisi Eli Yablonovitch ve optik malzemelerde öncü. Bu iplikler için olası bir kullanım: ortam kızılötesi ışığının belirli bir imzasını güçlü bir şekilde yansıtan bir savaş üniformasının bir kısmı. Örneğin, bir gece çatışmasının karışıklığı sırasında, bu tür bir optik barkod, bir askeri, doğru yansıyan ışığa ayarlanmış gece görüş gözlüğü ile donatılmış diğer birliklerin arkadaşı olarak tanımlayabilir. Fink'in ekibi ayrıca, düşmanın bir üniformayı ele geçirmesi durumunda dalga boyunun elektriksel olarak (ve uzaktan) değiştirilebilmesi için bu malzemeleri anında ayarlamanın bir yolunu bulmak istiyor.
Yablonovitch, bunun özel bir meydan okuma olduğunu söylüyor. Birçok çözüm var. Sadece iyiler yok. Ordu için pratik hale getirmek için işlerini kestiler, diyor.
Şimdilik Fink'in grubu, optik fiberleri ayarlanabilir hale getirmek için çeşitli yaklaşımlarla ilerliyor. Bir strateji, lifleri gergin çekebilecek bir çeşit germe rafı oluşturmayı içerir. Gerilim, yansıyan dalga boyunu değiştirerek katmanları inceltir. (aşağıdaki İnce Ayar'a bakın) . İkinci bir yaklaşım, katmanlardaki malzemelerden birinin -arsenik triselenid- bir elektrik alanı varlığında ışığı farklı bir hızda yavaşlatmasından yararlanır; alanı değiştirirsiniz ve tüm fiberin yansımasını değiştirirsiniz. Fink, bu yaklaşımların iki yıl içinde ayarlanabilir bir elyaf üretebileceğini söylüyor.
İnce ayar
|Bir enine kesit, bir polimer ipliği kaplayan optik malzemelerin dış katmanlarını göstermektedir. Katmanların kalınlığı ışığın nasıl yansıyacağını belirler. |
| Önceki: Dalga boyu katmanların kalınlığından farklıysa, ışık geçebilir. |
|Sonrasında: İpliği germek katmanları inceltebilir, böylece genişlikleri kırmızı dalga boyuna eşit olur. Katmanlar arasındaki her sınırda, bir miktar kırmızı ışık yansıtılacak (kırık çizgi) ve bazıları devam edecekti.|
Koruma
Tabii ki, üniformanın kapsayıcı görevi askeri korumaktır ve tehlikeden kaçma veya kendini sessizce müttefiklere duyurma yeteneği bunu dolaylı olarak yapar. Ancak ordunun vizyonu, mermilerden şarbona kadar her şeye karşı doğrudan koruma sağlayacak bir giysidir. Geliştirilmiş balistik koruma bu noktada çoğunlukla teoriktir, ancak biyolojik ve kimyasal saldırılara karşı çok gerçek bazı araçlar halihazırda elinizin altındadır.
Böyle bir teknoloji, dendrimerler adı verilen yüksek düzeyde dallanmış polimer moleküllerine dayanmaktadır. Ordu araştırmacıları, bir dendrimerin dallarının uçlarını, her biri tehlikeli bir moleküle yapışacak ve onu zararsız hale getirecek şekilde değiştirerek, ağırlığına göre büyük bir emme gücüne sahip koruyucu bir madde yarattılar. Ancak şimdiye kadar, maddeyi sadece güneş kremi benzeri bir kreme karıştırarak kullanabildiler. Bu teknolojiyi bir askerin giysisine eklemenin sorunu, dendrimerlerin birbirine kolayca yapışmaması ve bu nedenle, bir savaş alanının ve bir çamaşır makinesinin kötüye kullanılmasına dayanabilecek kararlı bir malzemeye dönüştürülmesinin zor olmasıdır.
MIT kimya mühendisi Paula Hammond, daha sağlam bir malzeme oluşturmaya yardımcı olmak için kuyruklu dendrimerler tasarladı. Dendrimerlerin dallarından birkaç kat daha uzun olan bu kuyruklar, dalların işlerini yapmasını engellemeden molekülleri birbirine kilitleyerek birbirine dolanma eğilimindedir. Moleküler ağaçlardan oluşan bir orman için kapsamlı bir kök sistemi gibidir ve sabitlenmiş dendrimerlerin sert bir koruyucu film yapmasına izin verebilir. Bu teknolojiler şu anda tomurcuklanıyor. Hammond, bunları alıp kumaşlara ve kaplamalara dahil etmeye başlayabiliriz, diyor.
MIT araştırmacıları, karşılaşabilecekleri tehlikeler ne olursa olsun, bir askerin sağlığını uzaktan izlemeye yardımcı olabilecek teknolojiler üzerinde de çalışıyorlar. Örneğin, vücut kimyasındaki değişiklikleri algılayan yerleşik sensörler, düşmüş bir askerin ciddi şekilde yaralanıp yaralanmadığını veya yardım bekleyip bekleyemeyeceğini belirlemeye yardımcı olabilir. Bu tür sensörlerin son derece hassas olması, aynı zamanda sağlam ve çalıştırılması basit olması gerekir.
Ve Swager iyi bir ilk adım attı. Detektör olarak özel olarak tasarlanmış polimerleri kullanan Swager, yakın zamanda insan nefesinde bulunan bir kimyasal olan nitrik oksit konsantrasyonlarını algılamak için bir cihaz geliştirdi. Vücut stresli olduğunda nitrik oksit yükselir (aşağıdaki Algılama Sağlığına bakın) . Tek başına ele alındığında, bir nitrik oksit ölçümü tüm hikayeyi anlatmayabilir, ancak Swager, sensörün askerin fizyolojik durumunu değerlendirme yollarının bir parçası olabilecek ilk unsur olduğunu söylüyor.
Sağlık Algılama
|Elektriksel olarak iletken bir polimer kullanan bir sensör, bir askerin nefesindeki nitrik oksit konsantrasyonlarını doğrudan tespit edebilir. Polimerdeki kobalt atomları, nitrik oksit moleküllerini bağlayıp serbest bırakarak, elektrotlar arasında bulunan polimerin direncinde dalgalanmalara neden olur. (John MacNeill'in çizimi)|
Nitrik oksit dedektörü, elektriği iletebilen nanoskopik polimer teller kullanır. Nitrik oksit polimere bağlandığında, elektrik direncinde kolaylıkla tespit edilebilen bir değişiklik üretir. Ek olarak, nitrik oksit molekülleri sensörden hızla düşerek cihaza kimyasalın konsantrasyonunun sürekli ölçümlerini sağlama yeteneği verir.
Bugün sadece bir prototip olmasına rağmen, Swager'ın cihazı, stres veya hastalık göstergesi olabilen hidrokarbonlar ve ketonlar gibi diğer kimyasalları tespit etmek veya biyolojik ve kimyasal ajanları tespit etmek için nihayetinde bir maskeye veya bir asker giysisinin kumaşına dahil edilebilir.
Entegrasyon
Swager ve enstitüdeki diğer araştırmacılar bu tür yeni materyalleri ve cihazları üretmeye devam ederken bile, nihayetinde en büyük zorluğunun ne olacağını düşünüyorlar: tüm icatlarını seri üretilebilir bir takımda birlikte çalıştırmak. Swager, bunun daha önce hiç görmediğimiz bir sistem ve entegrasyon sorunu olacağını söylüyor.
DuPont'un yardım edebileceği yer burasıdır. Şirket, kurşun geçirmez yeleklerde kullanılan Kevlar gibi ultra güçlü malzemeleri geliştirme konusunda onlarca yıllık deneyime sahiptir. Şimdi, birkaç nano materyali tek bir tekstilde entegre etmek için yeni süreçlerin yaratılmasına yardımcı olacak. Bir sorun: tüm polimerler uyumlu değildir. Wilmington, DE'deki DuPont Central Araştırma ve Geliştirme'nin araştırma müdürü Wayne Marsh, bunların aynı olmadığını ve aynı şekilde davranmadıklarını söylüyor. Bazıları çok farklı yapılır; aynı işlem bir polimeri bozarken diğerini oluşturabilir. Bu farklılıkları uzlaştırmak, polimerlerin kimyasını değiştirmeyi veya onları birbirinden korumak için kaplama eklemeyi gerektirecektir. Sonuç olarak, bu gerçekten uç bir şey, diyor Thomas. 1950'lerin başlarında Texas Instruments'tan Jack Kilby'nin tek bir silikon çip üzerinde sadece onlarca veya yüzlerce transistör yapmayı düşünmesi gibi. “Bunu nasıl yaparız?” demeniz gerekiyor.
Ordu komutanları ve sivil tıp camiası, Thomas ve MIT meslektaşlarının yalnızca yeni materyalleri ve cihazları nasıl mükemmelleştireceklerini değil, aynı zamanda bunları devrimci sonuçlarla birlikte nasıl öreceklerini bularak cevabı bulacağına dair büyük umutlar taşıyor. Ama gerçekçiler. Ordudan Andrews, tüm bunların istediğimi, istediğim zaman ve uygun fiyata yapıp yapmayacağını bilmiyorum.
Elbette, yeni enstitü beş yıl içinde tam entegre savaş üniforması üretmeyecek. Thomas, bunun yerine, bu zaman ölçeğinde başarının çok daha hafif, kurşuna dayanıklı bir yelek veya sağlam bir dost-düşman optik malzemesi anlamına geleceğini söylüyor. Başarının bir ölçüsü, askerlerin bireysel olarak nanoteknolojiyi kullanmaya inanmaları için ordu halkının dikkatini ve güvenini kazanmamız olacaktır, diyor. Bir askerin eline gerçekten somut bir şey verirsek büyük başarı olacaktır. Kolay olmayacak. Ancak enstitünün malzeme geliştirme konusundaki üstünlüğü göz önüne alındığında, ABD Ordusu'nun en azından istediği üniformayı almak için savaşma şansı var.saklamak