Ademende nepspier

Efficiënte motoren werken als spieren. Zo hoeft de robot straks niet steeds in het stopcontact.

Michiel van Nieuwstadt

'Brandstofgestookte kunstspieren' staat er boven het Science-artikel dat Ray Baughman en zijn collega's van de universiteit van Texas gisteren publiceerden. En de auteurs hebben enig recht van spreken, zo blijkt uit het begeleidend commentaar van collega John Madden van de universiteit van British Columbia. De spieren ademen, schrijft hij: ze gebruiken immers zuurstof. En bovendien: net als in spieren zijn in de nieuwe motoren het aandrijfmechanisme en de energievoorziening geïntegreerd.

Volgens Baughman zijn de motoren veel efficiënter dan batterijen of bestaande brandstofcellen en daarom in principe geschikt om robots aanzienlijk langer te laten rondlopen zonder dat ze zich hoeven op te laden. Ook het gebruik in kunstledematen komt voor in een lange lijst met mogelijke toepassingen.

De nieuwe motoren werken deels als een brandstofcel op waterstof. Net als een batterij zet een brandstofcel de chemische energie die is opgeslagen in moleculen om in elektriciteit. Essentieel verschil met een batterij is dat er bij de cel van buitenaf brandstof wordt aangevoerd. Een brandstofcel ontleent zijn elektrische spanning aan chemische reacties die zich afspelen aan de (platina) elektroden. Aan de ene elektrode wordt waterstof gesplitst in protonen (H+) en losse elektronen. Die elektronen bewegen zich via een stroomdraad naar de andere elektrode, de protonen bewegen zich daar ook naartoe, maar via een vloeistof of vaste stof (de elektrolyt) tussen beide elektroden. Bij de andere elektrode wordt zuurstof aangevoerd. Dat reageert met de via de stroomdraad aangevoerde elektronen en de protonen uit het elektrolyt. In een gewone brandstofcel wordt zo de chemische energie die is opgeslagen in de brandstof (waterstof) omgezet in een elektrisch potentiaalverschil.

De cruciale vondst in Baughmans brandstofcel is dat hij beweegbare elektroden gebruikt als de aandrijvers van zijn motoren. Daardoor wordt de chemische energie uit de reacties niet omgezet in een elektrische stroom, maar in mechanische energie. Dat rechtvaardigt de vergelijking met een spier, want ook daarin wordt de chemische energie (opgeslagen in ATP) direct omgezet in beweging (de moleculen myosine en actine schuiven langs elkaar).

Baughman demonstreert twee motoren die gebruik maken van verschillende beweegbare elektroden: de eerste elektrode bevat naast het gebruikelijke platina een laag nanobuisjes (koolstofmoleculen in de vorm van opgerold kippengaas). Als er in het circuit geen stroom loopt verbuigt de drie centimeter lange elektrode binnen vijf seconden twee millimeter aan het uiteinde. Dat gebeurt onder invloed van elektronen die uit de nanobuisjes elektrode worden opgenomen door zuurstof. Dat nanobuisjes verbuigen onder invloed van veranderingen in lading had Baughman eerder aangetoond. Als de lading wordt geneutraliseerd (door het circuit te sluiten) herneemt de elektrode zijn oorspronkelijke toestand (zie afbeelding).

In de elektrode van de tweede motor is nitinol verwerkt, een legering van nikkel en titaan met zogeheten vormgeheugen eigenschappen. In reactie op een temperatuurverhoging (veroorzaakt door de chemische reacties in de brandstofcel) krimpt de elektrode vijf procent in de lengterichting. Na afkoeling neemt hij zijn oorspronkelijke vorm weer aan. In tegenstelling tot de klassieke brandstofcel gebruikt dit experiment een enkele elektrode waar waterstof en zuurstof met elkaar reageren.

filmpje

Omdat beide motoren veel efficiënter zijn dan doorsnee brandstofcellen lijkt de brandstofvoorziening van de nieuwe brandstofcel een behapbaar probleem. Het aan- en afsluiten van de brandstoftoevoer van een motor lijkt onpraktisch, maar volgens Baughman valt ook dat wel mee. Hij stuurt desgevraagd per e-mail een filmpje van een nog ongepubliceerd vervolgexperiment waarin het samentrekken en uitzetten van de elektrode zelf wordt gebruikt om brandstoftoevoer aan- of af te sluiten. Zo zijn de cycli van de aandrijver te automatiseren', aldus Baughman.

Maar hoe is de kleinschalige beweging van de elektroden te vertalen naar een bewegende robot of een kunstarm? Baughman: Stel je een armvormige buis voor waarin twee kokers liggen. Dat zijn de elektroden. Daar tussenin ligt de elektrolyt. De kokers kunnen buigen als gevolg van de chemische reacties die zich voltrekken aan de buitenkant. Het probleem dat we nog moeten oplossen is dat structuren van nanobuisjes hun vorm enigszins verliezen als ze erg vaak op en neer bewegen.'

    • Michiel van Nieuwstadt