Supersoldaten

Ende letzten Jahres kaufte die US-Armee neue Uniformen. Camouflage-Overalls und Olive Drabs oder auch bessere Versionen der Hightech-Ausrüstung der Truppen in Afghanistan interessierten ihn nicht. Was die Armee wollte, war eine leichte Kampfuniform, die in der Lage war, Kugeln und Giftstoffe zu stoppen, die Gesundheit eines Soldaten zu überwachen, mit Fernkommandanten zu kommunizieren – und sogar übermenschliche Kräfte zu ermöglichen. Aber trotz der Extravaganz dieser Vision und obwohl sie akademische Forschungsinstitute um Hilfe baten, machten Armeeoffiziere einen weiteren wichtigen Wunsch deutlich. Wie sich der Materialwissenschaftler vom MIT, Edwin Thomas, erinnert, wollten sie nicht nur Papiere haben Wissenschaft oder Natur . Sie wollten echte Sachen.

Echtes Zeug ist genau das, was MIT-Forscher letzten Januar einem Armeeteam präsentierten, das zu Besuch war. Der Maschinenbauingenieur Ian Hunter spielte ein Video von einem zuckenden Stück schwarzen Bandes ab – einem sich ausdehnenden und zusammenziehenden künstlichen Muskel, der in einer Kampfuniform ein Tourniquet bilden oder die Beinkraft steigern könnte. Der Materialwissenschaftler Yoel Fink zeigte einige schimmernde optische Fäden, die verschiedene Wellenlängen des Lichts mit großer Spezifität reflektieren und absorbieren können – eine Eigenschaft, die für die Infrarot-Fernkommunikation ausgenutzt werden könnte, die es Soldaten beispielsweise ermöglichen könnte, sich nachts geräuschlos gegenüber Verbündeten zu identifizieren. Fakultätsmitglieder erklärten die Funktionsweise eines mikroskopischen Sensors, den der MIT-Chemiker Tim Swager gebaut hatte, nur wenige Moleküle breit, der den Atem eines Soldaten nach chemischen Anzeichen von Stress erschnüffeln konnte.

Datenlöschung

Diese Geschichte war Teil unserer Oktober-Ausgabe 2002



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Stärke

Ein Hauptziel des neuen Instituts ist es, eine Kampfuniform zu schaffen, die über eine eingebaute Stärke verfügt – die Stärke, die einem Soldaten hilft, schwere Gegenstände zu heben, Kühlflüssigkeiten durch eingebettete Kanäle zu pumpen oder um eine blutende Wunde zu versteifen. Hunters zuckendes schwarzes Band ist ein erster Hinweis darauf, dass Nanomaterialien diese Art von Stärke liefern könnten.

Das Band besteht aus einem elektroaktiven Polymer, das sich als Reaktion auf ein elektrisches Signal bewegen oder seine Form ändern kann. Forscher haben sich schon lange vorgestellt, diese Polymere – die 100-mal stärker sein können als menschliche Muskeln – als künstliche Muskeln zu verwenden. Aber bisher haben sie sich als muskelähnliche Maschinen als unpraktisch erwiesen, hauptsächlich weil ihre Bewegungen relativ träge sind und auch weil sie sich nur um wenige Prozent ihrer Länge zusammenziehen oder ausdehnen konnten. Der menschliche Muskel kann sich um 20 Prozent zusammenziehen und ausdehnen.

In den Labors von Hunter und Swager haben Forscher jedoch kürzlich zusammengearbeitet, um große Fortschritte in Richtung eines Materials mit genügend Bewegungsspielraum zu machen, um nützlich zu sein. Der Schlüssel ist eine Reihe von Molekülen, die wie Stäbchen und Scharniere funktionieren. An den Scharnieren schwenkbar stoßen sich die Stäbe gegenseitig ab oder ziehen sich an, wenn eine Ladung aufgebracht oder entfernt wird. Durch das Aneinanderreihen von Millionen dieser Stäbe und Scharniere wie Segmente eines Zollstocks konnten die Forscher Polymere herstellen, die sich als Reaktion auf elektrische Reize verlängern und verkürzen (siehe Molekularer Muskel, unten) . Ein Film aus diesen Polymeren erzeugt muskelähnliche Bewegungen. In den letzten Monaten, sagt Hunter, haben wir den Bewegungsumfang verdoppelt und nähern uns dem menschlicher Muskelzellen.

Molekularer Muskel

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Ein Polymer, das sich so stark zusammenzieht und ausdehnt wie menschliche Muskeln, verwendet molekulare Scharniere und Stäbchen. Die Stäbe stoßen sich ab und ziehen sich an, wenn eine Ladung aufgebracht (oben) und entfernt (unten) wird. (Illustration von John MacNeill)

Diese Zunahme der Ausdehnung und Kontraktion des Polymers in Kombination mit seiner beeindruckenden Stärke – die die Forscher noch nicht gemessen haben, aber auf das Zehnfache des menschlichen Muskels prognostizieren – könnte möglicherweise eine Kampfuniform ermöglichen, die mit 1,4 Kilogramm des Materials eingebettet ist 80 Kilogramm einen Meter hoch zu heben. Mit anderen Worten, ein Soldat könnte mühelos ein schweres Gerät oder sogar einen gefallenen Kameraden heben. Das Problem: Das würde mindestens eine Minute dauern, sagt John Madden, Elektroingenieur an der University of British Columbia in Vancouver, der bis vor kurzem in Hunters Labor die Forschung an elektroaktiven Polymeren leitete.

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Diesen elektroaktiven Polymeren nutzbare Geschwindigkeit zu verleihen, ist die nächste Hürde. Dazu muss der elektrische Widerstand der Materialien verringert werden, damit eine aufgebrachte Ladung ihre Arbeit schneller verrichten kann. Die Forscher planen, den Widerstand zu verringern, indem sie Kohlenstoff-Nanoröhrchen – lange, röhrenförmige Moleküle – in zukünftige Generationen der Materialien einbauen. Bestimmte Versionen von Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind ausgezeichnete elektrische Leiter, die Ladungen viel schneller durch das Material transportieren könnten. Die Gruppen Hunter und Swager hoffen, in fünf Jahren künstliche Muskeln herstellen zu können, die so schnell sind wie menschliche Muskeln.

Die Integration des Muskelmaterials mit dem Rest des Soldatenanzugs ist die größere Herausforderung. Die elektroaktiven Polymere müssen beispielsweise in ein Stromverteilungs- und Signalsystem eingebunden werden; Herkömmliche Kabel sind einfach zu steif, um ein zuckendes, sich biegendes Material anzuschließen. So haben Hunter und seine Mitarbeiter im vergangenen Jahr bandförmige Drähte aus flexiblen elektrisch leitfähigen Polymeren entwickelt. Anstelle von steifen Kupferdrähten, die in Polymergewebe gehen, werden wir gewebeähnliche Drähte in Gewebe haben, sagt Hunter.

Kommunikation

Andere Technologien werden benötigt, damit der Anzug mit der Außenwelt kommunizieren kann. Anfang dieses Jahres kündigte Fink vom MIT die Entwicklung von beschichteten Polymerfäden an, die genau das Richtige sein könnten, um eine geräuschlose Kommunikation mit entfernten Verbündeten oder Kommandanten durch den Einsatz von sichtbarem oder infrarotem Licht zu ermöglichen.

Finks Fäden sind in der Lage, Licht unterschiedlicher Wellenlängen selektiv zu reflektieren oder zu absorbieren, dank ihrer Beschichtung, die zahlreiche ultradünne Schichten aus zwei transparenten Materialien enthält – eines organisch, das andere anorganisch. Die beiden Materialien verlangsamen das Licht mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Bei der daraus resultierenden Reflexionsflut innerhalb dieser Schichten werden einige Wellenlängen stark aus der Faser zurückreflektiert und andere ausgelöscht. Welche Wellenlängen reflektiert werden, hängt von der Dicke der Schichten ab, die zwischen 100 und 1.000 Nanometern liegen kann und genau gesteuert werden kann.

Während die meisten Photonik-Forscher an Chips und anderen Geräten für die optische Telekommunikation arbeiten, baut Finks Gruppe als erster einen photonischen Faden, der zu einem Textil verarbeitet werden könnte, sagt Eli Yablonovitch, Elektroingenieur an der University of California, Los Angeles, und ein Pionier in optischen Materialien. Eine mögliche Verwendung für diese Fäden: ein Teil einer Kampfuniform, der eine bestimmte Signatur des umgebenden Infrarotlichts stark reflektiert. Während der Verwirrung eines nächtlichen Feuergefechts könnte ein solcher optischer Strichcode beispielsweise einen Soldaten als Freund seiner Mitstreiter identifizieren, der mit einer Nachtsichtbrille ausgestattet ist, die auf das richtige reflektierte Licht eingestellt ist. Und Finks Team möchte auch eine Möglichkeit finden, diese Materialien im Handumdrehen abzustimmen, damit die Wellenlänge elektrisch (und aus der Ferne) geändert werden kann, falls ein Feind eine Uniform in die Hände bekommt.

Dies sei eine besondere Herausforderung, sagt Yablonovitch. Es gibt viele Lösungen. Nur keine guten. Sie haben ihre Arbeit, um es für die Armee praktisch zu machen, sagt er.

Finks Gruppe treibt vorerst mehrere Ansätze voran, um die Lichtwellenleiter durchstimmbar zu machen. Eine Strategie besteht darin, eine Art Dehngestell zu erstellen, das die Fasern straffen könnte. Die Spannung würde die Schichten dünner machen und die reflektierte Wellenlänge verändern (siehe Feinabstimmung, unten) . Ein zweiter Ansatz macht sich die Tatsache zunutze, dass eines der Materialien in den Schichten – Arsentriselenid – das Licht bei Vorhandensein eines elektrischen Felds mit einer anderen Geschwindigkeit verlangsamt; ändern Sie das Feld und Sie ändern die Reflexion der gesamten Faser. Diese Ansätze könnten laut Fink innerhalb von zwei Jahren eine abstimmbare Faser produzieren.

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Feinabstimmung

Ein Querschnitt zeigt die äußeren Schichten optischer Materialien, die einen Polymerfaden beschichten. Die Dicke der Schichten bestimmt, wie das Licht reflektiert wird.

Vor: Unterscheidet sich die Wellenlänge von der Schichtdicke, kann das Licht hindurchtreten.

Nach: Das Strecken des Fadens könnte die Schichten so verdünnen, dass ihre Breite der roten Wellenlänge entspricht. An jeder Grenze zwischen den Schichten würde etwas rotes Licht reflektiert (gestrichelte Linie) und einiges würde weiterleuchten.

Schutz

Natürlich besteht die übergreifende Aufgabe der Uniform darin, den Soldaten zu schützen, und die Fähigkeit, vor Gefahren zu springen oder sich wortlos vor Verbündeten zu melden, würde dies indirekt tun. Aber die Vision der Armee ist ein Anzug, der auch direkten Schutz gegen alles bietet, von Kugeln bis Milzbrand. Ein verbesserter ballistischer Schutz ist an dieser Stelle hauptsächlich theoretisch, aber einige sehr reale Werkzeuge gegen biologische und chemische Angriffe sind bereits in der Hand.

Eine solche Technologie basiert auf hochverzweigten Polymermolekülen, den sogenannten Dendrimeren. Indem sie die Enden der Äste eines Dendrimers so modifiziert haben, dass jeder von ihnen an einem gefährlichen Molekül haftet und es unschädlich macht, haben Armeeforscher bereits eine Schutzsubstanz mit großer Absorptionskraft für ihr Gewicht geschaffen. Bisher konnten sie die Substanz jedoch nur verwenden, indem sie sie in eine sonnencremeähnliche Creme einmischten. Das Problem beim Hinzufügen dieser Technologie zu einem Soldatenanzug besteht darin, dass Dendrimere nicht so leicht aneinander kleben und daher schwer zu einem stabilen Material zu formen sind, das dem Missbrauch auf einem Schlachtfeld – und einer Waschmaschine – standhalten würde.

Um ein robusteres Material herzustellen, entwarf die Chemieingenieurin Paula Hammond vom MIT Dendrimere mit Schwänzen. Diese Schwänze, die um ein Vielfaches länger sind als die Äste der Dendrimere, neigen dazu, sich ineinander zu verschränken, wodurch die Moleküle zusammengehalten werden, ohne die Äste an ihrer Arbeit zu hindern. Es ist wie ein ausgedehntes Wurzelsystem für einen Wald aus molekularen Bäumen und könnte es den verankerten Dendrimeren ermöglichen, einen harten Schutzfilm zu bilden. Diese Technologien sind gerade im Entstehen. Wir können sie nehmen und damit beginnen, sie in Stoffe und Beschichtungen einzuarbeiten, sagt Hammond.

MIT-Forscher arbeiten auch an Technologien, die helfen könnten, die Gesundheit eines Soldaten aus der Ferne zu überwachen, unabhängig davon, welchen Gefahren er oder sie ausgesetzt sein könnte. Eingebaute Sensoren, die beispielsweise Veränderungen der Körperchemie erkennen, können helfen, festzustellen, ob ein gefallener Soldat schwer verwundet ist oder auf Hilfe warten kann. Solche Sensoren müssten extrem empfindlich, aber auch robust und einfach zu bedienen sein.

Und Swager hat einen guten ersten Schritt gemacht. Unter Verwendung speziell entwickelter Polymere als Detektor hat Swager kürzlich ein Gerät entwickelt, das die Konzentrationen von Stickstoffmonoxid, einer Chemikalie im menschlichen Atem, misst. Stickoxid-Spitzen, wenn der Körper gestresst ist (siehe Gesundheit erfassen, unten) . Für sich allein genommen sagt eine Stickoxidmessung vielleicht nicht die ganze Geschichte aus, aber der Sensor ist ein erstes Element, das zur Beurteilung des physiologischen Zustands des Soldaten beitragen könnte, sagt Swager.

Gesundheit wahrnehmen

Ein Sensor, der ein elektrisch leitendes Polymer verwendet, könnte Stickoxidkonzentrationen im Atem eines Soldaten direkt erkennen. Kobaltatome im Polymer binden Stickoxidmoleküle und setzen diese frei, wodurch der Widerstand des Polymers, das zwischen den Elektroden liegt, schwankt. (Illustration von John MacNeill)

Der Stickoxid-Detektor verwendet nanoskopische Polymerdrähte, die Strom leiten können. Wenn Stickoxid an das Polymer bindet, erzeugt es eine Änderung des elektrischen Widerstands, die leicht nachgewiesen werden kann. Darüber hinaus fallen die Stickoxidmoleküle schnell vom Sensor ab, sodass das Gerät kontinuierlich die Konzentration der Chemikalie messen kann.

Obwohl es sich heute nur um einen Prototyp handelt, könnte Swagers Gerät irgendwann in eine Maske oder den Stoff eines Soldatenanzugs integriert werden, um andere Chemikalien – wie Kohlenwasserstoffe und Ketone – zu erkennen, die Indikatoren für Stress oder Krankheiten sein können, oder um biologische und chemische Stoffe zu erkennen.

Integration

Während Swager und die anderen Forscher des Instituts weiterhin an solchen neuen Materialien und Geräten arbeiten, denken sie bereits über ihre letztendlich größte Herausforderung nach: Alle ihre Erfindungen in einem serientauglichen Anzug zusammenzuführen. Es wird ein System- und Integrationsproblem sein, das wir noch nie zuvor gesehen haben, sagt Swager.

Hier könnte DuPont helfen. Das Unternehmen verfügt über jahrzehntelange Erfahrung in der Entwicklung ultrastarker Materialien wie Kevlar, das für kugelsichere Westen verwendet wird. Jetzt soll es helfen, neue Verfahren zur Integration mehrerer Nanomaterialien in ein Textil zu schaffen. Ein Problem: Nicht alle Polymere sind kompatibel. Sie sind nicht gleich und verhalten sich nicht gleich, sagt Wayne Marsh, Forschungsmanager bei DuPont Central Research and Development in Wilmington, DE. Einige sind sehr unterschiedlich gemacht; der gleiche Prozess könnte ein Polymer abbauen, während ein anderes gebildet wird. Um diese Unterschiede auszugleichen, müssen die Chemie der Polymere optimiert oder Beschichtungen hinzugefügt werden, um sie voreinander zu schützen. Alles in allem ist das wirklich Edge-Zeug, sagt Thomas. Es ist wie bei Jack Kilby von Texas Instruments in den frühen 1950er Jahren, als er darüber nachdachte, nur Dutzende oder Hunderte von Transistoren auf einem einzigen Siliziumchip herzustellen. Sie müssen sagen, wie würden wir das machen?’

Army Brass und die zivile medizinische Gemeinschaft hoffen sehr, dass Thomas und seine MIT-Kollegen die Antwort finden und herausfinden, wie man neue Materialien und Geräte nicht nur perfektioniert, sondern sie auch mit revolutionären Ergebnissen verwebt. Aber sie sind realistisch. Ich weiß nicht, ob all dies das bringen wird, was ich will, wann ich es will, und das zu einem erschwinglichen Preis, sagt Andrews von der Armee.

Sicherlich wird das neue Institut in fünf Jahren nicht die vollständig integrierte Kampfuniform produzieren. Stattdessen bedeutet der Erfolg auf dieser Zeitskala eine viel leichtere kugelsichere Weste oder ein robustes optisches Freund-Feind-Material, sagt Thomas. Ein Maßstab für den Erfolg wird sein, wenn wir die Aufmerksamkeit und das Vertrauen der Armeeangehörigen dazu gebracht haben, daran zu glauben, Nanotechnologie für den einzelnen Soldaten einzusetzen, sagt er. Ein großer Erfolg wird sein, wenn wir einem Soldaten tatsächlich etwas Greifbares in die Hand geben. Es wird nicht einfach. Aber angesichts des Vorsprungs des Instituts in der Materialentwicklung hat die US-Armee zumindest eine Chance, die gesuchte Uniform zu bekommen.

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