Mądry plastik. Żyjemy w nowej erze – inteligentnych materiałów
piątek,21 lipca 2023
Udostępnij:
Korzysta z nich wojsko, ale mogą też ratować nam życie i zdrowie, czy zapobiegać skutkom kataklizmów. Mogłyby też poradzić sobie z rosnącą górą śmieci elektronicznych. Gdyby podzespoły krzemowe montowano na materiałach np. termo-inteligentnych z pamięcią kształtu, dałoby się je bez ryzyka zapłonu dosłownie rozsypywać na czynniki pierwsze, po czym sortery by się zajęły pozostałościami. A ile dałoby się odzyskać?!
„Sztuczna inteligencja, hahaha! Chyba z plastiku” – tak, po poznaniu pierwszej wersji ChatGPT, podsumował to zjawisko mój nieoceniony znajomy, zmarły niedawno filozof i tłumacz Janusz Kucharczyk. Dowcipnie i trafnie opisał to, z czym się zetknął. Co jednak, gdy naprzeciw nas pojawia się inteligentny… plastik?
Wprawdzie inteligencja ta na ogół jest na granicy sprytu, materiał zatem nosi miano „smart”, właśnie w rozumieniu sprytny, bystry, mądry – bo ma „jedynie” zdolność postrzegania środowiska i reagowania na nie, ale nie samooptymalizacji. W odróżnieniu od innych, już istniejących i „inteligentnych” materiałów, które nie tylko postrzegają i analizują, ale też są zdolne się dostosować i zoptymalizować sposób, w jaki odpowiedzą na daną sytuację. Czasem nawet się same naprawią, co bywa nazywane samoleczeniem – choćby dlatego, że wśród takich materiałów można znaleźć samorosnące „sztuczne skóry” i inne powłoki dla robotycznych kończyn.
By nie mnożyć bytów, na potrzeby tej opowieści wszystkie te materiały nazwę inteligentnymi. I gumowy blok, który potrafi policzyć do dziesięciu, zapamiętując kolejność wywieranych na niego niewielkich nacisków. I hydrofobowe buty oraz rękawiczki robocze, a nawet garnitury i krawaty czy ściany, których ni woda, ni błoto, ni atrament się nie imają. Oczywiście patrząc na niektóre z tych innowacji (jak akumulujące się w wodzie metaliczne kuleczki czegoś, czego nazwa nam nic nie mówi) trudno sobie od razu wyobrazić, do czego można to wykorzystać, poza zestawem „małego chemika” czy „małego eksperymentatora”. A jednak takie banieczki – zdolne do autoagregacji w jednych warunkach, a autodysocjacji w nieco innych – mogą być nośnikami leków przyszłości.
Sprowadzając rzecz do niemal banału: materiały te mogą reagować na zmiany zewnętrzne i zgodnie z nimi zmieniać swoje właściwości fizyczne. Oczywiście – jak zgrabnie to ujęli na łamach czasopisma naukowego „Cell” w opinii o inteligentnych materiałach Kai Liu, Mike Tebyetekerwa, Dongxiao Ji i Seeram Ramakrishna: „inteligencja to zdolność uczenia się na podstawie doświadczenia, rozumienia złożonych sytuacji, dokonywania wyborów, dostosowywania się i celowego działania”. A to coś znacznie więcej niż responsywność. To działanie taktyczne, jeśli nie strategiczne, takiego zaś żadne dotychczasowe materiały nie wykazują.
Jednak cechy, jakie już wykazują, umożliwiły setki zastosowań tych materii. Nie tylko w przemyśle jądrowym, aeronautyce czy astronautyce, ale też po prostu w nowoczesnych konstrukcjach budowlanych i inżynierskich, jako swoiste czujniki zdolne wykryć pęknięcia w konstrukcji betonowej czy wibracje wysokich budynków, albo analizować wieżowce i mosty pod względem odporności na skutki wstrząsów sejsmicznych etc. Coraz więcej też pomysłów na nie w medycynie, zwłaszcza w kwestii inżynierii tkankowej i tzw. bionicznych narządów, jak chociażby trzustka.
Guma, która pamięta, liczy i….
Młody fizyk z uniwersytetu w Leidzie, Lennard Kwakernaak, skonstruował właśnie kawałek giętkiej, wielowarstwowej gumy, która pamięta zmiany kształtu własnego wewnętrza, potrafi je odtworzyć i reaguje na nie tak, że jeśli nie jest komputerem, to co najmniej kalkulatorem. To poważna rzecz, skoro opowiada o niej jedno z najważniejszych czasopism w świecie fizyki eksperymentalnej „Physical Review Letters”, choć filmik o gumie jest zabawny.
Gdy dwa lata temu wynaleziono gumowy walec, który potrafił liczyć tylko do dwóch (ale skoro umiał liczyć 0-1 w różnych sekwencjach, to właśnie był komputerem, czyż nie?), też można to było obejrzeć na filmie.
Metamateriały to jednak nie zabawki, choć da się z nich robić zabawki przyszłości.
Jak wykazują autorzy wspomnianej pracy z „Cell”, od kilku lat żyjemy w nowej erze – właśnie inteligentnych materiałów. Nastąpiła ona po erze inżynierii genetycznej i biologii molekularnej, która z kolei postępowała po czasach królowania materiałów funkcjonalnych, a wcześniej plastików, kompozytów, krzemu i polimerów. Tyle, jeśli chodzi o historię technologii po II wojnie światowej, bo rzecz jasna wcześniej było stulecie stali, kilka – kauczuku, a w starożytności znacznie dłuższe ery żelaza, brązu i miedzi. Wcześniej już tylko ceramika i setki tysięcy lat różnie obrabianego kamienia. Z tego zestawienia wynika, że żyjemy w czasach istotnych i odróżniających się od przeszłości, gdy coraz dziwaczniejsze czy też doskonalsze urządzenia, jak choćby roboty, potrzebują do swego funkcjonowania inteligentnych materiałów wielu rodzajów. Dzielimy je na: piezoelektryczne, stopy czy polimery zachowujące „pamięć” o kształcie, chromoaktywne, magneto- czy elektroreologiczne, fotoaktywne, termoaktywne etc.
To trochę jak z antropocenem, czyli nieuznawaną jeszcze za epokę geologiczną, ale zaproponowaną w 2000 roku na określenie czasów znacznego wpływu człowieka na ekosystem naszej planety i geologię Ziemi – nie widać go, a jest i będzie widoczny w przyszłości w śladach kopalnych. Podobnie jest dziś z materiałami inteligentnymi: wciąż częściej je spotkamy w publikacji naukowej niż w artykule pierwszej potrzeby, który mamy w domu. Choć np. w zapalniczkach jest już wykorzystywany tzw. efekt piezoelektryczny, odkryty przez męża naszej noblistki Pierre’a Curie: odpowiednie materiały wytwarzają napięcie elektryczne po przyłożeniu do nich naprężeń mechanicznych i robią to w sposób odwracalny. Piezoelektryki mogą wytwarzać wysokie napięcie lub odkształcać się pod wpływem zewnętrznego napięcia, co zapewnia im zastosowania w np. czujnikach i buzzerach (brzęczykach).
Elektroaktywny polimer z kolei pod wpływem pola elektrycznego może zmieniać swój kształt, rozmiar lub objętość. Są ekstremalnie plastyczne, dają się uformować we wszystko i potrafią zgromadzić tyle ładunków, że ho ho! Idealnie nadają się na sztuczne mięśnie, wykorzystywane są w tzw. miękkiej robotyce i jako ładowarki. W porównaniu z tradycyjnymi siłownikami są lekkie, mają niskie zużycie energii i da się je uzyskiwać w rozmaity sposób.
Ich wersją wrażliwą z kolei na pole magnetyczne są materiały magnetoreologiczne. Mają głównie formę oleistych cieczy, dosłownie zastygających w mgnieniu oka, gdy zostaną umieszczone w owym magnetycznym polu.
ODWIEDŹ I POLUB NAS
Równie często spotkamy dziś wokół siebie tzw. stop z pamięcią kształtu. Całkiem odwrotnie niż zwykłe stopy, ma on tendencję do zachowywania swojego oryginalnego kształtu pod wpływem bodźców zewnętrznych. Im bardziej go zestresować, tym bardziej staje się sobą. Wyobraźmy sobie sprężynę, którą w temperaturze pokojowej można jedynie rozciągnąć, a w momencie podgrzewania zbiegnie się ona do pierwotnego kształtu. Materiał ten istnieje na granicy faz: między stabilnym w niższej temperaturze martenzytem, a stabilnym w wyższej austenitem.
Doskonałe właściwości mechaniczne znajdują zastosowania w motoryzacji, lotnictwie, minisiłowniach i systemach mikroelektromechanicznych czy medycynie. Oczywiście wiele jest materiałów zmieniających kolor pod wpływem rozmaitych czynników, co pozwala wykryć niekorzystne zmiany na wczesnym etapie, np. korozję zanim jeszcze na powierzchni metalu pojawi się rdza. Dodawanie takich materiałów do farb i lakierów to powoli rutyna.
Tak, można biegać „po wodzie”
Do tej „starego typu” czy klasycznej inżynierii materiałowej trzeba dodać inteligentne substancje pochodzenia biologicznego – ich pole rośnie laboratoryjnie, ale i coraz bardziej rynkowo. Matka natura miała 3,5 miliarda lat ewolucji, żeby wytworzyć biopolimery, proteinosomy, biosensory i hydrożele nieporównywalnie lepsze od wszelkich wytworów ludzkich. Aczkolwiek nasza (i sztuczna) inteligencja w tym, aby te materiały nieco ze sobą pokombinować, licząc na ich zdolności do samoorganizacji i samodezorganizacji, uwarunkowane określonym kształtem w konkretnych okolicznościach środowiska.
W nich leży przyszłość samowystarczalnych, bezprzewodowych sieci czujników, urządzeń automatycznie dostrajających się do pozyskiwania energii wibracyjnej. Jak zauważają na łamach „Materials Today: proceedings” Shashi Bahl, Himanshu Nagar, Inderpreet Singh i Shankar Sehgal: „inteligentne materiały wykazują pewne analogie do systemów biologicznych. Na przykład hydrofony piezoelektryczne wykazują podobieństwo do narządu (linii bocznej), za pomocą którego ryby wyczuwają wibracje – sprzęgającego zdolności piezoelektryczne z działaniem elektromechanicznym”.
Przykłady można mnożyć. Zjawiskowe bywają pokazy, gdzie płyn magnetoreologiczny o lepkości zbliżonej do oleju przybiera stan stały po wprowadzeniu go w pole magnetyczne. Na powstałych wtedy „igiełkach” można postawić nawet 100 kg, a one się nie kruszą. Nie o cyrk i prestidigitatorstwo tu jednak chodzi, a o szybką budowę niezbędnych konstrukcji, tak dla nowoczesnego pola walki, jak i ratujących życie po wypadkach. Materiały takie mogłyby zapobiegać dramatycznym konsekwencjom trzęsień ziemi i tsunami, gdyż są niczym gęsta zawiesina skrobi – gdy je uderzyć, tajemniczo „twardnieją”, choć normalnie są jak płyn. Chcesz się przebiec „po wodzie” – niech to będzie woda aż biała i gęsta od mąki ziemniaczanej czy kukurydzianej. Chodzić się po tym nie da, bo się tonie, ale biec i owszem. Takie ciecze, które stają się nienewtonowskimi (zanika w nich prosta relacja między ciekłością a lepkością, obserwowana np. w wodzie) pod wpływem pola magnetycznego czy elektrycznego, to potrzeba chwili. Ale już dziś amortyzują szok w ciężkich kołowych pojazdach wojskowych i terenowych.
Inteligentne materiały mogą również pomóc nam poradzić sobie z lawinowo rosnącą górą śmieci elektronicznych, typu płyty główne komputerów. Gdyby podzespoły krzemowe montowano na materiałach np. termo-inteligentnych z pamięcią kształtu, dałoby się je bez ryzyka zapłonu dosłownie rozsypywać na czynniki pierwsze, przez podgrzanie, po czym sortery automatycznie by się zajęły pozostałościami po tej operacji. A ile dałoby się odzyskać?!
Najinteligentniej bowiem by było, żeby inteligentne materiały były wystarczająco inteligentne, aby w ogóle nie zostawiać odpadów.
Zdjęcie główne: Inteligencja z plastiku czy plastikowa inteligencja? Fot. printscreen z „7 najdziwniejszych i najfajniejszych materiałów, które rzeczywiście istnieją!”, kanał TTI-English – https://www.youtube.com/watch?v=Mo1lDsESD90
ODWIEDŹ I POLUB NAS
