Nieuwe kunstspieren lijken steeds meer op die van jou

De onderzoeksgroep van Nathalie Katsonis, hoogleraar bio-geïnspireerde en slimme materialen aan de Universiteit Twente, komt nu met een mogelijke oplossing voor dat probleem. Katsonis werkt met materialen gemaakt van netwerken van vloeibare kristallen waarin lichtgevoelige moleculaire schakelaars zijn verwerkt – moleculen die in reactie op licht dusdanig van vorm veranderen dat ze aan het netwerk gaan trekken en zo zorgen voor de opbouw van spanning. Door aan het materiaal een tweede vloeibare kristal toe te voegen dat niet meereageert in de vorming van het netwerk, en daardoor niet mengt met de rest, ontstaan lokaal gebiedjes die vloeibaarder blijven. In chemische termen: er treedt een fasescheiding op. Een klein deel van het materiaal blijft zich gedragen als een vormeloze ‘vloeistof’, terwijl de rest zich gedraagt als een geordend geheel, dat meer lijkt op een vaste stof.

Sterke spieren

Omdat kleine gebiedjes in het materiaal meer vloeibaar blijven, wordt het geheel juist minder vloeibaar en dus stijver en steviger. Het idee hierachter haalden Katsonis en haar groep uit een publicatie uit 2015 in het tijdschrift Nature Physics, waarin wordt beschreven hoe kleine druppeltjes vloeistof in composieten (samengestelde materialen) zich gedragen als een vaste stof en niet meer vervormbaar zijn.

‘Het gaat tegen je intuïtie in dat je een vast materiaal stijver maakt door er vloeistof aan toe te voegen’, schrijft Katsonis in een begeleidend blog. ‘We denken dat in ons materiaal de overgang van de moleculaire schakelaars naar een gebogen vorm ervoor zorgt dat het netwerk nog moeilijker mengt met de ‘vrije’ vloeibare kristallen, waardoor de spanning in het materiaal verder toeneemt en het geheel nog moeilijker te vervormen is. En dat vertaalt zich naar een verstijving van het materiaal.’ Met een krachtig resultaat: de kunstspieren van Katsonis kunnen ladingen van meer tien keer hun eigen gewicht optillen.

Dat er nu lichtgewicht, zachte materialen zijn die in reactie op een signaal van buitenaf snel van vorm kunnen veranderen én tegelijkertijd hun mechanische eigenschappen kunnen aanpassen, opent allerlei nieuwe mogelijkheden, aldus Katsonis. En hoewel concrete toepassingen er nog niet zijn, heeft ze daar wel ideeën over. “Ik zie dit als eerste conceptuele stappen in een nieuwe technologie die inzetbaar is in protheses, zoals een kunstarm, of in draagbare exoskeletten, bijvoorbeeld voor mensen die revalideren na een hersenbloeding”, zo laat ze NEMO Kennislink weten. “Nu worden daar nog zware, harde materialen voor gebruikt waarvan de onderdelen met scharnieren zijn verbonden. Deze missen de precieze, subtiele werking van spieren en ze kunnen zich ook niet aanpassen. Bovendien hebben ze stroom nodig. Allemaal zaken die we graag willen vervangen door meer mens-vriendelijke oplossingen en onze materialen kunnen daarbij helpen.”