1. ábra. Izületmozgások szimulálása

Az elektromos energia közvetlen átalakítása mechanikai energiává olyan anyagok segítségével, amelyek elektromosság hatására megváltoztatják méretüket, számos újszerû mûszaki megoldást tesznek lehetővé mikrorobotok, optikai szálak kapcsolói, hangsugárzók és mikroszkopikus szivattyúk szerkesztésére. Ilyen célokra eddig piezoelektromos anyagokat és elektromosan vezető polimereket, például a fémionokkal „szennyezett" polivinilpirrolt próbálták alkalmazni. (1. ábra. Az ujjak, csukló és könyök mozgásának szimulálására képes, három, külön vezérelhető csuklót tartalmazó „lágy" mikrorobot sémája; a világos csíkok a polimercsíkot mutatják.)

Az utóbbi években megállapították, hogy a grafitrácsszerkezetû szénből álló csövecskék, melyeket néhány nanométeres átmérőjük alapján nanocsöveknek neveznek, különleges elektromos és mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, s ezekből kiindulva a kutatók egyre újabb alkalmazási lehetőségek gondolatát vetik fel. Legújabban egy amerikai, ausztrál, olasz és német kutatókból álló csoport kísérleti eredményeik nyomán azt javasolta, hogy nemezelt nanocsövekből álló film vékony csíkjait mesterséges izomként lehetne alkalmazni a mikrorobotikában, mert nagyobb húzófeszültségeket tudnak létrehozni, mint a természetes izmok.

2. ábra. Az alakváltozások mérésének elve

A nanocsövek előállítására több eljárás van. A kutatók olyan eljárást alkalmaztak, amelyben nanocsőkötegek keletkeztek. Egy köteg több száz, mintegy tíz nanométer átmérőjû és több mikrométer hosszúságú nanocsőből állt. A kötegeket valamilyen oldószerből leszûrve a szárítás után vékony film maradt vissza, amelyben e kötegek olyasféle összekuszált helyzetben voltak, mint a papírlapban a cellulózrostok. Ha ezt a filmet folyékony elektrolitba, például vizes konyhasóoldatba merítették és megfelelő csatlakozáson át elektromos feszültséget adtak rá, a film hosszában és széltében megnyúlt. Az elektromos feltöltődés hatására a filmet alkotó egyes nanocsövek is megnyúlnak. A jelenséget a nanocsövek és az elektrolit közti határfelületeken fellépő kvantummechanikai és elektrosztatikus jelenségek okozzák.

A kutatók mérései szerint a film vékony csíkja 1 volt feszültség hatására 0,04 százalékkal nyúlt meg. Az elektromos feszültség hatására fellépő alakváltozás mérésének elve (2. ábra): elektrolitban álló, rétegelt szalag, melynek közepén kétoldalt tapadó rétegû mûanyag csík egyik oldalán PVC-szalag, a másikon nanocsövekből álló film van. A szalag tetejére kis tükröt helyeztek, amely optikai szenzor segítségével a legkisebb alakváltozást is észlelhető, mérhető. Ez igen apró hosszúságváltozásnak tûnik, de még mindig nagyobb, mint ami piezoelektromos anyagokkal elérhető, melyeket ma gyakran alkalmaznak aktuátorokban (elektromos indítószerkezetekben). Ráadásul a nanocsövekből álló film nyúlóképessége növelhető, ha a nanocsövek kevésbé vagy egyáltalán nincsenek kötegekben, mert akkor nagyobb a határfelületük az elektrolittal.

3. ábra. Aktuátor nyújtható filmből

Egy aktuátor minőségét, használhatóságát azonban nemcsak az határozza meg, hogy milyen távolságra tud egy terhet elmozdítani, hanem az is, milyen súlyos ez a teher. A „nemezelt" nanocsövekből álló filmnek a rugalmassági modulussal jellemezhető szilárdsága kiváló, jócskán meghaladja a természetes izmokét, és ezen belül az egyes nanocsövek szilárdsága még mintegy százszor nagyobb, tehát a film mechanikai tulajdonságai javíthatók a szálak rendezettségének növelésével.

A kutatók egyszerû példával demonstrálták, hogyan készíthető aktuátor a nyújtható filmből(3. ábra).Mindkét oldalán ragasztóréteget hordó szalag első és hátsó oldalára csíkot ragasztottak a filmből és az egészet elektrolitba lógatták. Az egyik filmre negatív, a másikra pozitív feszültséget kapcsoltak. Mivel a pozitív feszültség hatására a film erősebben nyúlik, a szalag - mint egy behajlított kar - elhajlott. A polaritást megcserélve a szalag az ellenkező irányba hajlott úgy, hogy vége a nyugalmi helyzettől egy centiméterre volt. A kísérletben ragasztószalag helyett lényegesen vastagabb, PVC-lemezből levágott csíkot használva a film ezt is meghajlítja.

A nanocsövekből készített aktuátort mindenekelőtt a mikrorobotikában lehetne alkalmazni a jelenleg általában használatos ferroelektromos, elektrosztiktív (áram hatására összehúzódó) anyagok helyett. Előnye, hogy mûködtetéséhez kisebb feszültség szükséges. Másfelől e vékony film használhatónak látszik szenzornak is, például a szeizmológiában, a funkciókat felcserélve, azaz az alakváltozásból eredő mechanikai energiát elektromos energiává alakítva.