Kohe järgimisel päeval alanud maailma suurimal ioonsete tehislihaste konverentsil Californias tutvustasid nad seda uudset tehnoloogiat ka oma väliskolleegidele. “Võimalik, et järgmisel aastal ehitab kogu maailm tehislihaseid tikkimisrõngastel,” muigas meetodi välja mõtlemise juures olnud TÜ materjaliteaduse teadur Urmas Johanson.

Nimelt on tõenäoliselt kõige lihtsam laboris tehislihaseid valmistada just tikkimisrõngaste vahel, kuid mitte niidi ja nõelaga, vaid viisil, mis meenutab auto värvimist.

Esmalt pihustatakse värvipüstoli või aerograafiga rõnga vahele pingutatud klaasriidele ioonvedelikku sisaldav polümeerilahus. Kuivades kaetakse see mõlemalt poolt järgmise kihiga. Selleks on süsinikmaterjali suspensioon, millest moodustub elektrood. See kaetakse kullalehega. Ja tehislihas ongi valmis!

Tehislihased ja lihasroboti üheksa ametit.

“Lahused ja suspensioonid on samad mis eelnevate meetodite juures, kuid uudsus peitubki valmistamismeetodis – kõik tehislihase aktiivsed kihid valmistatakse värvimise teel,” kommenteeris TÜ materjaliteadlane Indrek Must.

“Sama metoodikat saab kasutada ka tõeliselt suurtes mahtudes masstootmises, kus ainsaks erinevuseks on tikkimisrõnga asemel konveierliini kasutamine,” lisas TÜ doktorant Friedrich Kaasik. Tehislihaste uudse valmistusmeetodi eksperimentaalse väljatöötamise juures on oluline osa ka Tartu ülikooli materjaliteaduse tudengil Inna Baranoval, kes käesoleval kevadel kaitseb samal teemal ka oma bakalaureusetöö.

Membraaniga kaetud klaasriie ehk pooleli olev tehislihas. (Allikas: Tartu ülikool)

Hirmutavad kogused tehislihaseid

Kuigi keskmine tikkimisrõngas võib käsitöö armastajatele tunduda tühine suurus, siis veel paar aastat tagasi oli selle jagu tehislihasmaterjali teadlaste jaoks ulmeliselt suur kogus. “Juba seda raami vaadates oli meil hirm peal: see on ju nii suur! Kuidas see meil üldse välja tuleb!?” meenutas Must.

Sel ajal oskasid materjaliteadlased oma teadustööks teha pisikesi – kuni viis korda viis sentimeetrit – ioonse tehislihase tükikesi.

Selleks valati membraanilahus väga väikesesse ja madalasse ülihoolikalt loodi aetud teflonvanni. Vedeliku kuivades saadi tükike kilet. “Kile tõmbus kokku ja selle servad olid paksemad, lisaks veel muud hädad,” kirjeldas Must, millest tehislihaste tegemine toona algas.

Teise samasugusesse vanni valati elektroodilahus ehk suspensioon, mis koosneb söest, ioonvedelikust, polümeerist ja solvendist ehk lahustist. Solvendi väljaaurutamise järel saadi sellest elektroodid. Seejärel asetasid teadlased kahe elektroodikile vahele eelmisest vannist tulnud membraani ning pressisid kihid kõrgel temperatuuril omavahel kokku.

Liiga tugeval pressimisel võis aga juhtuda, et elektroodikiled pressiti läbi membraani ja need sattusid omavahel kontakti ja tekkis lühis. “See läks soojaks nagu praepann, aga ei mingit liigutamist,” kirjeldas Johanson äpardusi.

Raskused tehislihaste valmistamisel viisidki teadlased mõtteni hakata sama materjali tegema klaasriidest alusele. “Väga lihtne lahendus, aga niivõrd uus, et tasus esitada patenditaotlus,” ütles Must. “Sellise lihtsa mõtte peale pole varem keegi tulnud.” “Põhimõtteliselt oleme valmis tehislihaste masstootmiseks,“ lisas Johanson. “Kasvõi vaibarullide kaupa!”

Suurel hulgal sarnaste omadustega tehislihase olemasolu on teadlastele vajalik just biomimeetiliste ehk bioloogiast inspireeritud lihasrobotite prototüüpide valmistamiseks. Varasemate meetodite abil valmistatud väikestest tehislihase tükkidest, mis pealegi võivad igal järgneval valmistuskorral välja tulla hoopis erinevate omadustega, on lihasroboteid raske valmistada.

“Selleks, et tehislihaste potentsiaal uudsete lihasrobotite käitajana saaks üleüldse avalduda, oli tarvis leida viis tehislihaste tootmiseks suures koguses ning korratavalt,” rääkis Kaasik. “Mida suuremaks me tükiga läheme, seda ühtlasemate omadustega materjali me uue meetodiga saame. Vana meetodiga saime kõige korratavama tulemuse vaid väga väikese tüki puhul,” lausus Must.

Kullalehega kaetud tehislihas. (Allikas: Tartu ülikool)

Targad joped

Kuigi leiutise tehnoloogia väljaarendamiseks ostsid teadlased tõesti Tartu käsitöökauplused mitu korda tikkimisrõngastest tühjaks, on tikkimisrõngast olulisem märksõna siiski õhuke klaasriie, mis leiab tavapäraselt kasutust näiteks mudellennukite kerede valmistamisel. See on ioonsete tehislihaste tegijatele membraanitegemiseks väga tänuväärne alusmaterjal, mis võimaldab teadlastel esmakordselt tehislihaseid kangana valmistada. Katsetused on näidanud, et selleks sobivad ka teised kangad.

“Niimoodi saame nii-nimetatud targa tekstiili, millel on nii täituri- kui ka energiasalvestiomadused,” rääkis Must. “Saame sellest materjalist õmmelda omale näiteks jope, mis võib toita meie nutitelefoni, kuid kaitseb meid samal ajal endiselt ka ilmastiku eest. Lisaks võib seesama jope ka oma kuju muuta, kui selleks vajadus peaks kerkima.”

Mida tehislihastest veel teha saab?

Sarnaseid materjale hakati maailmas välja arendama paarkümmend aastat tagasi. Kui varem suutsid nad end parimal juhul liigutada vaid paar korda sekundis, siis praegu on lihased, mis liigutavad ennast kuni 1000 korda sekundis, kuigi sellisel juhul suudavad nad liigutada vaid iseennast. Lihasrobotite valmistamiseks sobivad tehislihased on tänapäeval veel siiski suhtelised aeglased, vajades arvestatava liigutuse sooritamiseks rohkem kui ühe sekundi. Seevastu on nende kujumuutuse ulatus suur ning need täiturid suudavad toimida ajamina, mis liigutavad lihasrobotit edasi.

Kuigi tehislihaseid tahetakse kasutada tavaliste lihaste asemel, osatakse neid praegu kasutada vaid mikroseadmetes, mille jaoks mootori tegemine on keeruline. Ent tehislihase tükki on võimalik üha väiksemateks tükkideks lõigata, kusjuures iga lõigatud tükk toimib endiselt tehislihasena.

Maailma esimese tehislihaste abil töötava lihasroboti, mis suudab oma akut ise kaasas kanda ehitasid Tartu ülikooli teadlased juba paar aastat tagasi. Ent lihasrobotitest saab omakorda ehitada ka suuremaid roboteid, nagu näiteks iseveerev ratas.

Vaksikust (inglise keeles inchworm) inspireeritud Tartu Ülikoolis välja töötatud ioonsest tehislihasest robot.

Teadlaste helesinine unistus on aga valmis teha lendav robotputukas ja selle suunas ka liigutakse. Praegu on teadlased muu hulgas valmis saanud tehislihastest kateetri otsa. Kateeter suunatakse näiteks veresoonde ning selle otsa painutatakse nii, et see satuks sealt edasi õigesse soonde. Kateetri otsa arendavad Las Vegases Nevada ülikooli teadlased. Kusjuures üheks juhtivaks teadlaseks selle projekti juures on Tartu ülikooli kasvandik Viljar Palmre.