Viis aastat tagasi ahhetasid eestlased: Alvo Aabloo loob Tartu ülikoolis tehislihaseid ehk arukaid kilesid, mis end madala elektripinge rakendamisel liigutavad. Märtsis esitasid tema labori teadlased patenditaotluse meetodile, millega saab neid samu lihaseid toota oluliselt lihtsamini ja kas või vaibarullide kaupa.

Juba 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 väljamõtlemise juures olnud TÜ materjaliteaduse teadur Urmas Johanson.

Tõenäoliselt on 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. Kui see on kuivanud, kaetakse see mõlemalt poolt järgmise kihiga. See on süsinikmaterjali suspensioon, millest moodustub elektrood. See kaetakse kullalehega. Nii ongi tehislihas valmis!

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

«Sama metoodikat saab kasutada ka tõeliselt suurte mahtudega 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 sel kevadel kaitseb samal teemal bakalaureusetööd.

Hirmutavad kogused tehislihaseid

Kuigi keskmine tikkimisrõngas võib käsitöö armastajatele tunduda tühise suurusega, siis veel paar aastat tagasi oli nii palju 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 Indrek 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, peale selle 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, mistõttu 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 Urmas Johanson. «Kas või vaibarullide kaupa!»

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

«Selleks, et tehislihaste potentsiaal uudsete lihasrobotite käitajana saaks üldse avalduda, oli tarvis leida viis tehislihaste suures koguses ning korratavalt tootmiseks,» rääkis Friedrich Kaasik.

«Mida suuremaks tükiga läheme, seda ühtlasemate omadustega materjali uue meetodiga saame. Vanaga saime kõige korratavama tulemuse vaid väga väikese tüki puhul,» lausus Must.

Targad joped

Kuigi leiutise tehnoloogia väljaarendamiseks ostsid teadlased Tartu käsitöökauplused mitu korda tikkimisrõngastest tühjaks, on tikkimisrõngast olulisem märksõna siiski õhuke klaasriie, mida tavapäraselt kasutatakse näiteks mudellennukite kerede valmistamisel.

See on ioonsete tehislihaste loojatele membraani tegemisel väga tänuväärne alusmaterjal, mis võimaldab teadlastel esimest korda tehislihaseid kangana valmistada. Katsetused on näidanud, et selleks sobivad teisedki kangad.

«Sel viisil saame niinimetatud targa tekstiili, millel on nii täituri- kui ka energiasalvesti omadused,» rääkis Indrek Must. «Saame sellest materjalist õmmelda endale näiteks jope, mis võib toita meie nutitelefoni, kuid mis kaitseb meid samal ajal endiselt ka ilmastiku eest. Peale selle võib seesama jope kujugi muuta, kui selleks vajadus peaks tekkima.»

Mida tehislihastest veel teha saab?

Sarnaseid materjale hakati maailmas välja arendama paarkümmend aastat tagasi. Kui varem suutsid need 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 üht sekundit. Seevastu on nende kujumuutuse ulatus suur ning need täiturid suudavad toimida ka ajamina, mis liigutab 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 väiksemaks tükiks lõigata, kusjuures iga lõigatud tükk toimib endiselt ka tehislihasena.

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

Teadlaste helesinine unistus on aga valmis teha lendav robotputukas, selle suunas ka liigutakse. Praegu on teadlased muu hulgas valmis saanud tehislihastest kateetri otsa. Kateeter suunatakse 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 vilistlane Viljar Palmre.

*Artikkel on ilmunud ka veebilehel novaator.err.ee.