Laboratorium Baughman menciptakan otot buatan yang kecil. Mereka memutar karbon nanotube menjadi benang yang lebih kuat dari baja namun begitu ringan sehingga hampir mengapung di udara.
Alam telah mengembangkan teknologinya selama ratusan juta tahun, kata Ray Baughman. "Dengan melihat cara alam memecahkan masalah seperti otot, kita dapat memajukan teknologi kita sendiri." Baughman adalah direktur Institut NanoTech di University of Texas di Dallas. Laboratoriumnya menciptakan otot buatan yang sangat kecil dengan memutar filamen karbon nanotube kecil yang tak terlihat menjadi benang yang luar biasa. Pound untuk pon, benang nano ini lebih kuat dari baja - namun begitu ringan sehingga hampir melayang di udara. Wawancara ini adalah bagian dari seri EarthSky, Biomimicry: Nature of Innovation, diproduksi dalam kemitraan dengan Fast Company dan disponsori oleh Dow. Baughman berbicara dengan EarthSky's Jorge Salazar.
Apa pendapat Anda tentang biomimikri? Bagaimana kita bisa belajar menggunakan metode alami untuk menyelesaikan masalah manusia?
Kita dapat melakukan ini dengan beberapa cara. Kita dapat mencoba meniru apa yang dilakukan alam, atau sedekat mungkin menirunya. Ini disebut pendekatan biomimikri. Kita juga bisa menggunakan apa yang disebut bioinspirasi. Kita dapat melihat apa yang dilakukan alam, melihat apa yang bisa kita lakukan dengan teknologi kita, dan mencoba menggabungkannya bersama untuk menghasilkan hasil yang terkadang bahkan lebih baik daripada yang bisa dilakukan alam.
Ceritakan tentang otot-otot artifisial yang Anda kembangkan. Bagaimana otot alami tubuh menginspirasi hasil itu?
Otot-otot di tubuh kita berkontraksi untuk melakukan pekerjaan. Dan otot-otot, misalnya, di anggota badan kontrak gurita. Tetapi sebagai hasil dari kontraksi ini mereka memberikan rotasi. Demikian juga otot-otot di belalai gajah. Mereka terluka secara heliks, sehingga ketika otot-otot ini berkontraksi, belalai gajah berputar secara bergantian. Menggunakan nanoteknologi, kami telah mengembangkan otot-otot buatan yang dapat berputar 1.000 kali lebih besar per panjang daripada otot-otot yang ditemukan dalam gurita atau belalai gajah. Otot-otot ini didasarkan pada benang karbon nanotube.
Carbon nanotube adalah silinder karbon kecil yang bisa menjadi seperseribu diameter rambut manusia. Benang-benang ini mungkin bisa lebih kecil dari sepersepuluh diameter rambut manusia. Tapi benang-benang ini dipintal dengan memutar mereka, memutar karbon nanotube individu bersama-sama.
Bagaimana otot torsional karbon nanotube ini beroperasi?
Mereka beroperasi dengan cara-cara yang agak seperti cara kaki gurita berputar dan agak sama dengan cara tanaman tertentu dapat mengikuti matahari. Ingat, otot-otot tiruan torsional ini menyediakan motor yang sangat sederhana. Anda memiliki benang karbon nanotube dan Anda memiliki elektroda penghitung, dan Anda menerapkan tegangan di antara mereka. Saat Anda menerapkan tegangan antara benang nanotube karbon dan elektroda lainnya ini, Anda menyuntikkan muatan elektronik ke dalam nanotube karbon. Untuk menyeimbangkan muatan elektronik ini, ion dari elektrolit - ingat ini hanyalah larutan garam - bermigrasi ke benang. Ketika ion-ion ini bermigrasi ke dalam benang, mereka menyebabkan benang mengembang.
Ceritakan tentang desain otot buatan. Bagaimana Anda membuat otot buatan?
Kami mulai dari hutan nanotube karbon. Carbon nanotube adalah silinder karbon berukuran nano. Untuk memberi Anda gambaran tentang skala nano: nanometer dibandingkan dengan panjang meter adalah rasio diameter marmer dengan diameter dunia ini. Di hutan nanotube karbon, diameter nanotube karbon sangat kecil ini diatur seperti pohon bambu di hutan bambu. Jika Anda menskalakan pohon bambu dengan diameter dua inci dan memiliki rasio tinggi terhadap diameter karbon nanotube yang sama dengan yang kami gunakan, pohon bambu itu akan menjadi satu setengah mil tingginya.
Kami menarik nanotube karbon ini dari hutan karbon nanotube dengan cara yang sangat sederhana. Sebagai contoh, kita dapat mengambil Post-It Notes seperti jenis yang dibuat oleh 3M dan yang memiliki lapisan perekat. Kami melampirkan lapisan perekat ini ke dinding samping hutan karbon nanotube ini dan menggambar. Dan kami mendapatkan selembar nanotube karbon.
Lembar nanotube karbon ini benar-benar keadaan materi yang luar biasa. Ini memiliki kepadatan sekitar udara. Kita dapat membuatnya sebenarnya memiliki kerapatan yang sepuluh kali lebih rendah dari udara, dan sepuluh kali lebih rendah dari kerapatan bahan apa pun yang swadaya yang sebelumnya dibuat oleh manusia. Meskipun kepadatannya sangat rendah - dengan kata lain, berat per unit volume - lembaran nanotube karbon ini, berdasarkan pound per pon, lebih kuat dari baja terkuat dan lebih kuat dari polimer yang digunakan untuk kendaraan udara ultralight. Ketebalan lembaran-lembaran ini ketika dipadatkan sangat kecil sehingga empat ons dari lembaran nanotube karbon ini dapat menutupi satu hektar tanah.
Untuk membuat benang nanotube karbon kami yang kami gunakan untuk otot buatan kami, kami memasukkan lilitan pada lembaran nanotube karbon ini saat kami menariknya dari hutan karbon nanotube. Dengan memasukkan tikungan, kami pada dasarnya perampingan teknologi yang telah dipraktikkan manusia setidaknya selama 10.000 tahun. Dengan memintal serat alami bersama-sama, manusia purba mampu membuat pakaian agar tetap hangat. Kami mempraktikkan teknologi yang sama menggunakan serat ukuran nano. Kami menggunakan serat karbon nanotube pintal berputar ini untuk membuat otot buatan kami.
Bagaimana otot-otot artifisial yang Anda kembangkan di lab ini akan digunakan di dunia nyata?
Saat ini kami telah membuat perangkat prototipe tempat kami menggunakan benang karbon nanotube berdiameter sangat kecil ini untuk memutar dayung dalam apa yang disebut chip mikrofluida. Para ahli teknologi ingin memperkecil sintesis bahan kimia dan analisis bahan kimia dengan cara yang sama seperti para teknolog telah mampu memperkecil ukuran sirkuit elektronik. Tetapi satu masalah utama adalah bahwa rangkaian mikofluida ini membutuhkan pompa. Ukuran pompa yang tersedia orang jauh lebih besar daripada ukuran chip yang bisa mereka buat. Mereka memiliki ketidakcocokan. Anda memiliki chip kecil, pompa besar, jadi mengapa ada manfaat memiliki chip menjadi sangat kecil. Menggunakan otot torsional karbon nanotube buatan kami, kami dapat membuat pompa yang memiliki dimensi yang sama dengan chip - tentu saja, jauh lebih kecil daripada dimensi chip keseluruhan. Kita bisa membuat katup, kita bisa membuat mixer yang memiliki dimensi sangat kecil.
Otot buatan torsional karbon nanotube kami dapat memutar dayung yang beberapa ribu kali lebih berat dari massa benang otot buatan. Mereka dapat memberikan hasil kerja yang sangat besar. Mereka dapat menghasilkan kekuatan yang sangat besar dan ini penting untuk berbagai aplikasi yang berbeda. Sekarang kita dapat berbicara tentang apa yang dapat kita lakukan hari ini, dan itu adalah dengan menggunakan otot tiruan torsional kita untuk chip mikrofluida. Tetapi apa yang mungkin terjadi di masa depan mungkin bahkan lebih menarik.
Di alam kita melihat sperma dan bakteri didorong oleh perangkat berbentuk pembuka botol di ujung belakangnya. Di masa depan, para ilmuwan membayangkan memiliki robot skala nano yang dapat disuntikkan ke dalam tubuh manusia dan dapat bergerak melalui tubuh manusia untuk melakukan perbaikan. Mungkin otot buatan torsional kita dapat membantu mengaktifkan masa depan ini.