Искусственные мышцы из нейлоновой лески

Всем известный пластик обладает необычным свойством: он может производить электричество при растягивании или сжатии. Эта способность до сих пор используется лишь в узких отраслях, однако теперь исследователи заставили волокна этого материала вырабатывать еще больше электроэнергии, что позволяет расширить область его применения: “зеленая энергетика” , и др.

Вальтер Войт , доктор философии из университета Далласа (UT Dallas), штат Техас, и его коллеги уже не первый год работают с поливинилиденфторидом (PVDF) , и за это время достаточно хорошо его изучили. Ученые утверждают, что подобрав условия, можно сделать из него пьезоэлектрик, что означает, что при растягивании материал будет генерировать электрический ток, или, наоборот, при подведении электричества к поверхности материала – менять форму. PVDF и другие материалы с аналогичными свойствами уже нашли применение в современной технологии, например, в качестве датчиков давления в тачпадах и датчиков наклона в электронике, но если его пьезоэлектрические свойства значительно улучшатся, потенциал этого полимера вырастет в разы.

При сотрудничестве с Шэшанк Прия, доктором философии политехнического института и государственного университета Вирджинии, Войт уже сделал новый шаг к этой цели: в рамках программы Центра энергонакапливающих материалов и систем Национального научного фонда (NSF), направленной на развитие технологий накапливания и контроля передвижения энергии, ученые предприняли попытку разработать «мягкие» энергонакапливающие материалы на основе полимера . Кэри Бор , докторант лаборатории Войта, нашел способ включить фуллерены и одностенные углеродных нанотрубки в PVDF волокна (изображены на рисунке ), что позволило удвоить пьезоэлектрические свойства. Данные добавки: фуллерены – крошечные сферы из атомов углерода, а также нанотрубки – были выбраны, поскольку они обладают интересными свойствами, и уже достаточно хорошо изучены учеными в различных направлениях. Углеродные наноструктуры выравнивают и повышают общую силу электрического поля. Таким образом, по словам Войта, PVDF-углеродные гибриды являются лучшими пьезоэлектрическими композитами из описанных в настоящее время в научной литературе.

По словам Войта, чтобы включить эти нитеподобные структуры в класс “искусственных мышц” – общее название для материалов, способных сжиматься или разжиматься под действием электрического тока или температуры – нужно сделать их более мощными. Одним из способов добиться этого стала разработка Рея Бомана , доктора философии университета Далласа, который взял пучок нейлоновых волокон толщиной в десять человеческих волос и скрутил их в длинную плотную спираль наподобие старого телефонного шнура, только в миниатюрных масштабах. Такая структура может сжиматься почти на 50 процентов при нагревании и поднимать около 16 фунтов (более 7 кг). Эффект похож на скручивание ленты: если растягивать ее, когда она скручена в виде спирали, то спираль выдерживает гораздо большие нагрузки в отличие от прямой.

Войт надеется создать подобный эффект для его PVDF-углеродных волокон, которые гораздо лучшие пьезоэлектрические материалы, чем нейлон, и будут иметь лучший отклик на электрический ток. В конечном счете данные разработки могут быть использованы для создания синтетических мышц, которые могли бы сделать протезы более подвижными.

Еще одна потенциальная область применения материалов – накопление энергии. Компания Боинг, которая финансировала некоторые исследования ученых, заинтересована в использовании энергии, которую можно вырабатывать при помощи пассажиров самолета, когда они сидят, встают или устраиваются поудобней на своих местах, с помощью которой можно обеспечить, например, освещение в салоне. Это позволит авиаконструкторам убрать ненужные кабели, которые могут значительно уменьшить вес самолетов, а следовательно и экономить топливо.

Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter

Но есть и совершенно неброские на 1-ый взор идеи, последствия внедрения которых могут привести к чуть ли менее конструктивным переменам в ежедневной жизни. Самый наилучший пример - «мускульная ткань», показавшаяся в умопомрачительной литературе только тогда, когда в лабораториях уже полным ходом шли работы по созданию железных и полимерных искусственных мускул, в том числе и для человечьих протезов.

В современной технике в главном употребляются два действенных метода совершения механической работы: термодинамический и электрический. 1-ый основан на использовании энергии сжатого газа, как в движках внутреннего сгорания, паровых турбинах и огнестрельном оружии. Во 2-м задействованы магнитные поля, создаваемые электронными токами, - так работают электромоторы и электромагниты. Но в живой природе для получения механического движения употребляется совсем другой подход - управляемое изменение формы объектов. Конкретно так работают мускулы человека и других живых созданий. При поступлении нервного импульса в их запускаются хим реакции, которые приводят к сокращению либо, напротив, к растяжению мышечных волокон.

Достоинства такового «природного» привода связаны с тем, что материал изменяется как целое. Это означает, что в нем нет передвигающихся друг относительно друга, а как следует, трущихся и изнашивающихся частей. Не считая того, сохраняется целостность организма (либо, вернее сказать, его геометрическая связность). Движение появляется на молекулярном, либо, как стильно сейчас гласить, наноуровне за счет маленького сближения либо удаления друг от друга атомов вещества. Это фактически устраняет мускулы от инерционности, которая так свойственна для всех ботов с электродвигателями. Но, естественно, у мышечного привода есть и недочеты. Если гласить о живых мышцах - это неизменный расход хим компонент, которыми нужно пичкать каждую клеточку мышечной ткани. Такие мускулы могут служить исключительно в качестве части сложного живого организма. Другой недочет связан с постепенным старением материала. В живом организме клеточки временами обновляются, а вот в цельном техническом устройстве схожее обеспечить очень трудно. В поисках искусственных мускул ученые стремятся сохранить достоинства, характерные движителям на базе конфигурации формы, и в то же время избежать их недочетов.

Школьница Панна Фелсен соревнуется с искусственной рукою, сделанной в Технологическом институте штата Виргиния

Память формы

1-ые исследования в области искусственных мускул были впрямую связаны с эффектом памяти формы, который присущ неким сплавам. Он был открыт в 1932 году шведским физиком Арни Оландером (Arne Olander) на примере сплава золота с кадмием, но практически 30 лет не завлекал особенного внимания. В 1961 году память формы совсем случаем нашли у никель-титанового сплава, изделие из которого можно произвольно деформировать, но при нагреве оно восстанавливает свою первоначальную форму. Не прошло и 2-ух лет, как в США появился коммерческий продукт - сплав, нитинол, получивший заглавие по собственному составу и месту разработки (NITINOL - NiTi Naval Ordnance Laboratories).

Память формы обеспечивается за счет того, что кристаллическая решетка нитинола может находиться в 2-ух устойчивых состояниях (фазах) - мартенситном и аустенитном. При температуре выше некой критичной весь сплав находится в аустенитной фазе с кубической кристаллической решеткой. При охлаждении сплав перебегает в мартенситную фазу, в какой благодаря изменившимся геометрическим пропорциям ячеек кристаллической решетки становится пластичным. Если приложить маленькое механическое усилие, изделию из нитинола в мартенситном состоянии можно придать практически всякую конфигурацию - она будет сохраняться до того времени, пока предмет не нагреют до критичной температуры. В этот момент мартенситная фаза становится энергетически нерентабельной, и металл перебегает в аустенитную фазу, восстанавливая прежнюю форму.

Так это смотрится в простом случае. На практике, естественно, на деформации есть ряд ограничений. Главное - они не должны превосходить 7-8%, по другому форма уже не сумеет быть стопроцентно восстановлена. Следующие разработки позволили сделать разные варианты нитиноловых сплавов. К примеру, есть такие, что помнят сходу две формы - одна соответствует высочайшим температурам, другая - низким. А при промежных температурах материал можно произвольно деформировать, но он вспомнит одну из 2-ух собственных форм при нагреве либо охлаждении.

На сегодня понятно уже более 10-ка сплавов с памятью формы на базе различных частей. Но семейство нитиноловых сплавов остается самым всераспространенным. Эффект памяти формы в сплавах на базе NiTi верно выражен, при этом спектр температур можно с неплохой точностью регулировать от нескольких градусов до 10-ов, вводя в сплав разные примеси. Не считая того, нитинол недорог, комфортен в обработке, устойчив к коррозии и обладает хорошими физико-механическими чертами: к примеру, его предел прочности всего в 2-4 раза ниже, чем у стали.

Пожалуй, главным недочетом схожих сплавов длительное время был маленький припас цикличности. Количество управляемых деформаций не превышало пары тыщ итераций, после этого сплав терял свои характеристики.

В мгновение ока

Разрешить эту делему смогла компания NanoMuscle. Зимой 2003 года на интернациональной ярмарке игрушек в Нью-Йорке ею была представлена необыкновенная куколка - Baby Bright Eyes. Игрушка очень близко к реальности копировала мимику глаз малеханького малыша, чего фактически нереально достигнуть с помощью обычно используемых в игрушечной промышленности микроэлектродвигателей - они очень инерционны. При всем этом цена куколки (при серийном производстве) оценивалась всего в 50 баксов, что смотрелось совершенно уж фантастично.

При разработке макета куколки инженерам компании NanoMuscle удалось преодолеть ограничения цикличности, используя микрочастицы из титана и никеля, также разработав программное обеспечение, управляющее сплавом в более щадящем режиме, потому актуальный цикл таких наномускулов превосходит 5 миллионов итераций. Микрочастицы соединялись в тонкие волокна поперечником около 50 микрон, а из их сплетался провод длиной несколько см, который мог поменять длину на 12-13% (очередной рекорд).

Вызывает почтение и сила устройства, получившего заглавие NanoMuscle Actuator. При равной массе наномускул развивает мощность в тыщу раз больше, чем людские мускулы, и в 4 000 раз больше, чем электродвигатель, и при всем этом скорость его срабатывания составляет всего 0,1 секунды. Но что в особенности принципиально, благодаря составной конструкции NanoMuscle Actuator не перебегает скачком из 1-го состояния в другое, а может двигаться плавненько с данной скоростью.

Наномускул, применяемый для приведения в движение глаз куколки, управлялся 8-битным процессором и имел напряжение питания 1,8 вольта. Его расчетная стоимость при промышленном производстве не превосходит 50 центов. Позже было представлено целое семейство игрушек такового рода с огромным числом передвигающихся частей. А скоро венчурная компания NanoMuscle была поглощена стремительно возрастающей китайской компанией Johnson Electric, которая практикуется на выпуске электронных приводов для самой разной техники - от DVD-проигрывателей до авто зеркал.

Приблизительно в это время в Техасском институте нанотехнолог Рэй Бахман (Ray Baughman) выдумал, как вынудить работать железные мускулы совсем без электричества - впрямую от хим горючего, что может понадобиться в системах с высочайшими требованиями к автономности. Трос из сплава с памятью формы он покрыл платиновым катализатором и стал обдувать консистенцией паров метанола, водорода и кислорода. В газовой среде из-за низкой концентрации реакция фактически не идет, а вот на покрытой катализатором поверхности выделялось достаточно много тепла. Увеличение температуры принуждало трос изменять длину, после этого поступление метанола прекращалось, и через некое время трос остывал и ворачивался к начальной длине. Может показаться, что это не очень успешная мысль, но ведь совсем не непременно, чтоб задействованные железные мускулы конкретно приводили в движение конечности либо колеса бота. Если таких мускул много и они работают попеременно, то привод оказывается полностью размеренным, а по совместительству он еще будет служить топливным элементом, вырабатывающим энергию для бортовой электроники.

Электроактивные полимеры

Но металлы с памятью формы - не единственное направление в разработке искусственных мускул. Доктор Йозеф Бар-Коэн (Yoseph Bar-Cohen) из Лаборатории реактивного движения NASA занимается созданием другой технологии - электроактивных полимеров (electroactive polymer - EAP) и уже получил на этом поприще 18 патентов и две медали NASA. К началу 2001 года его лаборатория могла повытрепываться 2-мя типами искусственных мускулов.

Какой-то из них - это полимерные ленты из углерода, кислорода и фтора. При подаче электронного тока рассредотачивание зарядов на поверхности таковой ленты изменяется, и она изгибается. Лаборатория доктора Бар-Коэна уже показывала журналистам обычный манипулятор из 4 лент, который позволяет обхватить маленький предмет и поднять его с земли (в дальнейшем подразумевается - с поверхности другой планетки). Разумеется, что сложность и обилие вероятных движений такового захвата зависят только от конфигурации полимерных лент. На видеозаписи движение схожих полимерных мускул смотрится совсем особенно: зажатые в тиски ленты вдруг начинают гнуться ввысь и вниз - поначалу медлительно, как лепестки цветка, но позже все резвее, все почаще, и вот их уже даже не видно - как крыльев комара в полете.

Устройства второго типа отличаются геометрией: пластинки EAP свернуты в трубочки наподобие листьев табака в сигаре. При подаче напряжения трубочки сжимаются и сдавливают эластичную сердцевину, заставляя ее растягиваться. В NASA уповают, что такие устройства могут быть применены в новеньком поколении планетоходов. К примеру, в одном из проектов предлагается заместо отправки одного-двух томных колесных аппаратов разбросать вокруг точки посадки сотки шариков с датчиками, адаптерами беспроводной сети и приводами на базе искусственных мускул второго типа, которые позволят шарикам перепрыгивать с места на место. Это даст возможность стремительно и дешево исследовать сходу целую местность. Кстати, современные модели EAP уже обеспечивают время срабатывания меньше 0,1 секунды, двукратное удлинение толкателя и силу, в 1 000 раз превосходящую его земной вес - полностью довольно для прыжков по дальним планеткам.

Игрушка с подвижными очами, которые приводятся в действие нитиноловыми мускулами с памятью формы, разработанными компанией NanoMuscle

Поединок с роботом

Два года вспять Бар-Коэн и несколько управляющих конкурирующих лабораторий отважились на маленькое шоу для популяризации собственных разработок - турнир по армрестлингу с искусственной рукою. В пресс-релизе событие предварялось таковой решительной фразой: «Если автоматическая рука одолеет, то она откроет двери для многих новых технологий в медицине, военном деле и даже промышленности развлечений».

Выбор конкурента, а поточнее соперницы, организаторы турнира предоставили телевизионщикам, и те предпочли старшеклассницу Панну Фелсен (Panna Felsen), которая основала в собственной школе в Сан-Диего клуб робототехники. Ей предстояло побороться с 3-мя искусственными руками по правилам, приближенным к традиционным. За их соблюдением наблюдали двое проф борцов-армрестлеров. Шоу удалось на славу, но оно малость остудило некие жаркие головы: ни одна рука не выстояла против непременно прекрасной, но хрупкой девицы.

Первым ее конкурентом стал манипулятор от американской компании Environmental Robots Incorporated с 2-мя искусственными мускулами. Поединок с роботом продлился 24 секунды. 2-ой и 3-ий конкуренты выдержали всего 4 и 3 секунды соответственно. Турнир выявил не считая чисто силовых заморочек, которые всегда можно решить наращиванием числа полимерных пластинок, и другие суровые недочеты аппаратов. К примеру, 3-я рука, сделанная в Политехническом институте штата Виргиния, использовала для активации полимера не электронные импульсы, а хим процессы. По воззрению ее разработчиков, такое решение намного более естественно для будущей реализации искусственных мускул. Но в процессе шоу полностью проявилась медлительность хим механизма активации: искусственная мускула начала работать только спустя несколько секунд после начала поединка, так что манипулятор потерпел поражение еще до того момента, как вышел на рабочий режим.

Детство чемпиона

Один из суровых соперников группы Бар-Коэна - компания Artificial Muscle, очень суровым образом понимающая свою цель: «Вывести на рынок твердотельные приводы, которые сделают с моторами и насосами то же, что полупроводники сделали с электрическими лампами». В качестве «твердотельных» приводов в Artificial Muscle занимаются все теми же электроактивными полимерами, но, чтоб отличаться от соперников, употребляют другую аббревиатуру - EPAM (Electroactive Polymer Artificial Muscle). По воззрению разработчиков, искусственные мускулы в дальнейшем затмят все другие механические приводы - электрические, пневматические, гидравлические и пьезоэлектрические - по всем характеристикам: цены, шуму, скорости, весу и удельной мощности.

Но то в дальнейшем, а пока однослойная полимерная искусственная мускула EPAM способна развивать усилие всего 0,5 ньютона (вес 50-граммовой гири). Правда, складывая 10-ки таких слоев, можно получить достаточно значимый эффект. Такие устройства уже на данный момент предлагаются, к примеру, производителям фотоаппаратов в качестве приводов для механизма автофокусировки.

Искусственные мускулы стремительно развиваются, но многие результаты уже укрыты за заавесью коммерческой потаенны, потому тяжело гласить о том, какие характеристики являются на сей день рекордными. Но, к примеру, способность выдерживать до 17 тыщ циклов сжатия-растяжения за секунду, заявленная Artificial Muscle, имеет высочайшие шансы оказаться рекордом быстродействия в мире искусственных мускул. Так же как и возможность полимерного материала изменять свою длину в 3,8 раза, достигнутая в лаборатории компании. Естественно, длительно такое «издевательство» над веществом длиться не может, и если требуется, чтоб полимерная мускула накрепко срабатывала миллионы раз, она не должна поменять свою длину более чем на 15%. По последней мере, при современном уровне развития этой отрасли.

Электромускульная броня

Но великодушные научные интересы профессионалов вроде доктора Йозефа Бар-Коэна не идут ни в какое сопоставление с объемами финансирования и техническими способностями лабораторий, которые не гнушаются работой на военных, вроде BAE Systems. Эта компания делает военные заказы фактически для всех на техническом уровне развитых стран мира, и потому информация о ее разработках возникает довольно нередко, невзирая на режим секретности.

Сейчас утечка произошла через маленькую британскую компанию H. P. White Laboratory, которая занимается в главном испытаниями на крепкость защитных систем: брони, пуленепробиваемых стекол, бронежилетов. По английским законам, информация о деятельности военных и мед компаний не может быть стопроцентно спрятана за секретностью патентов, потому по их отчетам можно косвенно проследить за развитием новых разработок в военной сфере. Сейчас исследователи предложили использовать принцип EAP для сотворения «брони со множественными напряжениями», которая представляет собой многослойную структуру из огромного числа полимерных лент с вкраплением наночастиц крепкой керамики и спецефическим образом нацеленных намагниченных частиц. Пуля, которая попадает в броню, вызывает исходную деформацию и приводит к резкому смещению намагниченных частиц. За счет индукции появляется маленький электронный импульс, заставляющий полимерные ленты сжиматься, резко повышая крепкость брони, так как частички инкрустированной бронекерамики имеют определенный силуэт, который позволяет им при сжатии сцепляться в сплошное покрытие.

Самое главное достоинство этой системы состоит в том, что наибольшая «плотность» брони появляется как раз в точке попадания пули, равномерно уменьшаясь по сторонам. В итоге кинетическая энергия пули умеренно распределяется практически по всей площади бронежилета. Броня вышла хоть и объемнее, но намного легче современных аналогов. Если ранее очередь в бронежилет из автоматической винтовки не убивала человека, но гарантированно выводила его из строя минимум на 10-ки минут, то, по подготовительным расчетам, новенькая защитная система не оставит даже гематом на теле бойца.

К истинному времени искусственные мышцы употребляются в главном в специфичных областях, обычно имеющих сильную муниципальную поддержку. Штатские и даже мед исследования приметно отстают от военных. Разработчики искусственных мускул кропотливо охраняют секреты их производства. К примеру, Artificial Muscle даже никому не реализует свои полимерные ленты - только готовые приводы на их базе. В некий момент положение оказалось настолько возмутительным, что группа Бар-Коэна просто взяла и опубликовала на собственном веб-сайте несколько нехитрых рецептов производства электроактивных полимеров, чтоб к работе могло подключиться больше независящих исследователей. 1-ые общедоступные устройства, использующие главные способности искусственных мускул, появятся уже в наиблежайшее десятилетие, и они имеют все шансы стать той революционной новацией, которая откроет дорогу к созданию дешевых функциональных самодвижущихся бытовых ботов. Ну и не только лишь ботов. По признанию доктора Бар-Коэна, разработка этой технологии очень припоминает изобретательский бум конца XIX - начала XX века: материалы вседоступны, опыты и исследования может поставить хоть какой студент со светлой головой, а валютные издержки малы.

Так что осталось запастись терпением и через десяток лет хорошо перетряхнуть содержимое книжной полки с научной фантастикой, чтоб избавиться от безвыходно устаревших с технической точки зрения книжек.

Современные роботы могут многое. Но при этом им далеко до человеческой легкости и грациозности движений. И вина тому - несовершенные искусственные мышцы. Ученые многих стран стараются решить эту проблему. Статья будет посвящена краткому обзору их удивительных изобретений.

Полимерные мышцы от сингапурских ученых

Шаг к более недавно сделали изобретатели из Национального Сегодня андроиды-тяжеловесы двигаются за счет работы гидравлических систем. Существенный минус последних - небольшая скорость. Искусственные же мышцы для роботов, представленные сингапурскими учеными, позволяют киборгам не только поднимать предметы, которые в 80 раз тяжелее их собственного веса, но и делать это так же быстро, как и человек.

Инновационная разработка, растягивающаяся в длину в пять раз, помогает "обойти" роботам даже муравьев, которые, как известно, могут переносить предметы в 20 раз тяжелее веса их собственного тельца. Полимерные мышцы обладают следующими достоинствами:

• гибкостью;
• поражающей прочностью;
• эластичностью;
• способностью менять свою форму за несколько секунд;
• возможностью преобразовывать кинетическую энергию в электрическую.

Однако на этом ученые не собираются останавливаться - в их планах создать искусственную мускулатуру, которая бы позволила роботу поднимать груз, в 500 раз тяжелее его самого!

Открытие из Гарварда - мышцы из электродов и эластомера

Изобретатели, которые трудятся в Школе прикладных и инженерных наук Гарвардского университета, представили качественно новые искусственные мышцы для так называемых "мягких" роботов. По словам ученых, их детище, состоящее из мягкого эластомера и электродов, в чьем составе углеродные нанотрубки, по своим качествам не уступает человеческой мускулатуре!

Все существующие на сегодня роботы, как уже говорилось, имеют в своей основе приводы, чей механизм - это гидравлика или пневматика. Такие системы работают за счет сжатого воздуха или реакции химических веществ. Это не позволяет сконструировать робота, такого же мягкого и быстрого, как человек. Гарвардские ученые устранили этот недостаток, создав качественно новый концепт искусственных мышц для роботов.

Новая "мускулатура" киборгов - многослойная структура, в которой электроды из нанотрубок, созданные в лаборатории Кларка, управляют верхними и нижними слоями гибких эластомеров, являющихся детищем ученых уже из Калифорнийского университета. Такие мышцы идеальны как для "мягких" андроидов, так и для лапароскопических инструментов в хирургии.

На этом замечательном изобретении гарвардские ученые не остановились. Одна из последних их разработок - это биоробот-скат. Его составляющие - клетки сердечных мышц крыс, золото и силикон.

Изобретение группы Баухмана: еще один вид искусственных мышц на основе углеродных нанотрубок

Еще в 1999 г. в австралийском городке Кирхберге на 13-й встрече Международной зимней школы по электронным свойствам инновационных материалов выступил с докладом ученый Рей Баухман, работающий в компании Allied Signal и возглавляющий международную исследовательскую группу. Его сообщение было на тему изготовления искусственных мышц.

Разработчики под началом Рэя Баухмана смогли представить в виде листов нанобумаги. Трубочки в этом изобретении были всячески переплетены и перепутаны между собой. Сама нанобумага своим видом напоминала обычную - ее возможно было держать в руках, разрезать на полосы и кусочки.

Эксперимент группы с виду был очень прост - ученые прикрепили кусочки нанобумаги к разным сторонам клейкой ленты и опустили эту конструкцию в соляной электропроводный раствор. После того как была включена слабовольтная батарея, обе нанополоски удлинились, особенно та, что была связана с отрицательным полюсом электробатареи; затем бумага изогнулась. Модель искусственной мышцы функционировала.

Сам Баухман считает, что его изобретение после качественной модернизации существенно преобразит роботехнику, ведь такие углеродные мышцы при сгибании/разгибании создают электрический потенциал - производят энергию. К тому же такая мускулатура раза в три сильнее человеческой, может функционировать при крайне высоких и низких температурах, используя для своей работы невысокую силу тока и напряжения. Вполне возможно ее применение и для протезирования человеческих мышц.

Техасский университет: искусственные мышцы из рыболовной лески и швейных ниток

Одной из самых поразительных является работа ученой группы из Техасского университета, который расположен в Далласе. Ей удалось получить модель искусственной мускулатуры, по своей силе и мощности напоминающей реактивный двигатель - 7,1 л.с./кг! Такие мышцы в сотни раз сильнее и продуктивнее человеческих. Но самое удивительное здесь то, что их сконструировали из примитивных материалов - высокопрочной лески из полимера и швейной нитки.

Питание такой мышцы - это перепад температур. Обеспечивает его швейная нить, покрытая тонким слоем металла. Однако в будущем мышцы роботов могут подпитываться от перепадов температур окружающей их среды. Это свойство, кстати, вполне можно применять для адаптирующейся к погоде одежды и других подобных устройств.

Если скручивать полимер в одну сторону, то он будет резко сжиматься при нагревании и быстро растягиваться при охлаждении, а если в другую - то в корне наоборот. Такая нехитрая конструкция может, например, вращать габаритный ротор со скоростью 10 тыс. оборотов/мин. Плюс таких искусственных мышц из лески в том, что они способны сокращаться до 50 % от своей исходной длины (человеческие только на 20 %). Кроме этого, их отличает удивительная выносливость - эта мускулатура не "устает" даже после миллионного повторения действия!

От Техаса до Амура

Открытие ученых из Далласа вдохновило немало ученых со всего мира. Успешно повторить их опыт, однако, удалось только одному роботехнику - Александру Николаевичу Семочкину, главе лаборатории информационных технологий при БГПУ.

Вначале изобретатель терпеливо ждал новых статей в Science о массовом внедрении в жизнь изобретения американских коллег. Так как этого не происходило, амурский ученый решил со своими единомышленниками повторить замечательный опыт и сотворить своими руками искусственные мышцы из медной проволоки и рыболовной лески. Но, увы, копия оказалась нежизнеспособной.

24 Февраля 2014

Как изготовить искусственные мышцы из рыболовной лески

Исследователи из Техасского университета в Далласе (США) представили синтетические мышцы, которые в 100 раз мощнее настоящих мышечных волокон той же длины и массы.

При этом сама технология изготовления оказалась на удивление простой. Для искусственных мышц не понадобилось никаких изощрённых синтетических полимеров: Рэй Бофман (Ray Baughman) и его коллеги просто взяли полимерную нить из тех, которые используют для производства рыболовной лески или синтетических ниток, и скрутили её в спираль. Эта спираль при перемене температуры могла скручиваться и растягиваться. Любопытно, что техпроцесс можно было поменять и так, чтобы эффект был обратным, то есть чтобы нить при остывании скручивалась, а при нагреве растягивалась. Варьируя число нитей в пучке, можно добиваться иных механических характеристик искусственного «мышечного волокна».

Синтетические волокна, сделанные из шести нитей разной толщины:
верхнее сложено из ниток толщиной в 2,45 мм, нижнее – из ниток толщиной в 150 мкм.
(Фото авторов работы.)

И характеристики эти воистину впечатляют. Во-первых, по сравнению с обычными мышцами, которые могут сокращаться лишь на 20% от своей длины, искусственные способны уменьшаться наполовину. Быстрого утомления такие мышцы, разумеется, тоже не знают. Если объединить вместе сотню элементарных волокон, то такая мышца сможет поднять больше 700 кг. Относительно веса волокна могут развивать мощность в 7,1 л.с. на кг, что соответствует, по словам исследователей, мощности реактивного двигателя.

Двигателем же для них, как уже сказано, служит перепад температуры, обеспечить который можно как угодно – хоть с помощью химической реакции, хоть посредством электричества (да хоть своим дыханием грейте эти волокна). Что же до самих волокон, то учёные особенно напирают на исключительную простоту их изготовления: дескать, любой студент сделает такое во время обычной лабораторной, главное – соблюсти физические условия, при которых вы будете деформировать нить. Гениальность же авторов идеи в том, что им удалось в этой тривиальной полимерной конструкции угадать огромный физический потенциал.

Собственно, простота этих мышц, наверное, мешает вот так сразу оценить всю революционность изобретения. Хотя исследователи, разумеется, продемонстрировали возможное его применение: приспособленные к окну, они закрывали и открывали его в зависимости от окружающей температуры. Кроме того, из волокон удалось создать тканую материю, пористость которой опять же менялась в зависимости от температуры, а отсюда легко представить себе «умную» одежду, которая будет сама проветривать вас в жару и экономить тепло в холод.

Но, конечно, львиная доля фантазий вокруг и около искусственных мышц отдана робототехнике. Понятно, что такие волокна могут стать прямым аналогом человеческих мышц у роботов, с помощью которых те смогут даже менять выражение лица. Синтетические мышцы пригодятся как при поднятии тяжестей, так и при выполнении тонких хирургических манипуляций (если мы представим себе медицинские аппараты будущего).

В прошлом такие волокна пытались делать из углеродных нанотрубок. По словам Рэя Бофмана, который прошёл и через этот этап, эксперименты с нанотрубками были успешными, но, во-первых, такие «наномышцы» очень сложны в изготовлении и чрезвычайно дороги, а во-вторых, они сокращались всего на 10% от своей длины, то есть уступали даже обычным живым мышцам, не говоря уже о только что явленных полимерных волокнах.

У нас же есть пока только один вопрос, который касается эффективности и экономичности: сколько тепла (и, следовательно, электрической или химической энергии) нужно потратить на их механическую работу? Авторы признаются, что, как и вообще все искусственные мышцы, их волокна в этом смысле не отличаются особой эффективностью, однако есть определённые надежды, что в этом случае оптимизировать энергетические затраты получится довольно быстро.

Подготовлено по материалам Техасского университета в Далласе: Researchers Create Powerful Muscles From Fishing Line, Thread .

назад

Читать также:

06 Февраля 2014

Бионическая рука с чувством осязания

Девять лет назад датчанину Деннису Соренсену пришлось ампутировать левую руку. Разумеется, он ни на минуту не задумался, когда ему предложили испытать бионический протез, позволяющий не только выполнять движения, но и осязать предметы.

читать 22 Января 2014

Киборг-сперматозоид

Группа исследователей из Университета Иллинойса разработала новый тип крошечных биогибридных машин, способных передвигаться подобно сперматозоидам.

читать 22 Января 2014

Реабилитации парализованной ноги помогут искусственные мышцы

От парализованной стопы можно добиться почти естественной подвижности, если воспользоваться сделанным из гибкого эластичного материала ортопедическим аппаратом, имитирующим устройство мышц и связок ноги.

читать 22 Января 2014

Полимерная клетка имитирует живую

Голландские исследователи произвели искусственную эукариотную клетку, в которой находятся искусственные органеллы и протекают биохимические реакции, аналогичные реакциям, протекающим в клетках живых организмов.

читать 26 Декабря 2013

Нематода с открытым кодом

Авторы проекта OpenWorm, целью которого является создание точной компьютерной копии круглого червя C.elegans, заявили о значительных успехах в моделировании этой нематоды. Исходный код программы опубликован в открытом доступе.

Искусственные мышцы хороши тем, что не содержат внутренних подвижных элементов. Это еще одна, довольно радикальная, альтернатива электродвигателям и пневматике с гидравликой. Существующие сегодня образцы представляют собой либо полимеры, чувствительные к напряжению или температуре, либо сплавы с памятью формы. Для первых требуется довольно высокое напряжение, вторые же имеют ограниченный диапазон движения и к тому же весьма дороги. Для создания мягких роботов используют и сжатый воздух, но это подразумевает наличие насосов и усложняет конструкцию. Чтобы сделать искусственные мышцы, мы обратились к рецепту ученых из Колумбийского университета, которым удалось соединить в одной конструкции высокую мощность, легкость, эластичность и потрясающую простоту. Мышцы представляют собой обычный мягкий силикон, в который заранее вводятся пузырьки спирта. При нагревании нихромовой спиралью спирт внутри них начинает кипеть, и силикон сильно разбухает. Однако если поместить все это в жесткую оплетку с перпендикулярным переплетением нитей, то разбухание превратится в обычное сокращение — примерно так же работают пневматические двигатели Маккиббена.

Поскольку силикон плохо проводит тепло, важно не подавать на спираль слишком большую мощность, иначе полимер начинает дымить. Это, конечно, выглядит эффектно и почти не мешает работе, но в конце концов может привести к пожару. Малая мощность тоже нехороша, так как время сокращения тогда может затянуться. В любом случае в конструкции не будут лишними ограничительный термосенсор и ШИМ-регулятор.

Методы

Силиконовые мышцы удивительно просты по конструкции, и при работе с ними реально столкнуться только с двумя проблемами: подбором мощности и созданием достаточно удобных форм для заливки.

Заливочные формы удобно делать из прозрачных пластиковых листов. Только учитывайте, что механизм крепления спирали внутри полимера следует продумывать заранее: после заливки будет поздно.

И материалы

Мягкий силикон для создания мышц можно приобрести в магазинах, где продаются товары для творчества. Оплетка нужного плетения обычно используется для организации и проводки кабелей, искать ее следует у электриков. Самые большие сложности возникают с 96-процентным этанолом, который в России купить сложнее, чем танк. Впрочем, его вполне можно заменить изопропанолом.

«Популярная Механика» выражает благодарность Магазину скелетов за помощь в проведении съемок.