Еще в прошлом десятилетии благодаря экспериментам с различными материалами и формами некогда жесткие, дергающиеся, машины начали сгибаться, наклоняться, прыгать , действуя более естественно, подражая живым организмам. Однако возросшие гибкость и ловкость снижали силу механизма. Мягкие материалы не везде применимы поскольку, обычно, не настолько крепки и эластичны по сравнению с прочными твердыми комплектующими.

Сегодня исследователи из Института Висса в Гарвардском университете и Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского университета по принципу оригами создали искусственные мышцы, которые придают силы мягким роботам. Только при помощи давления воздуха или воды аппарату удается передвигать объекты в тысячу раз превышающие его собственный вес.

«Мы очень удивились силе этих приводов («мышц»). Конечно, ожидалось, что они смогут подымать больший максимальный вес, чем обычные гибкие роботы, но не в тысячу раз больший. Это похоже на наделение роботов суперспособностями», - рассказывают доктор Даниэла Рус, профессор Массачусетского университета и один из главных авторов исследования.

«Искусственные мышцы находятся в числе крупнейших вызовов современной инженерной мысли», - добавляет доктор Роб Вуд, еще один автор исследования и представитель Института Висса. «Создав приводные механизмы близкие по свойствам к живым мышцам, мы можем представить строительство почти любого робота различного предназначения».

Каждая искусственная мышца состоит из внутреннего «скелета», который может быть изготовлен из разных материалов: металлической пружины или пластиковой пластины сложенной определенным образом. Расположенные внутри закрытой пластиковой или тканевой емкости они будут окружены воздухом или жидкостью. Созданный внутри вакуум способен заставлять внешнюю оболочку прижиматься к «скелету», образуя давление, которое приводит в движение весь механизм. Направление движений задается формой и структурой скелета.

«Одним из ключевых моментов этих мышц является их способность к запрограммированным действиям в зависимости от того, как выстроен «скелет», - говорит доктор Шугуанг Ли. Такой подход позволяет мышцам быть очень простыми и компактными. Они подходят для монтажа на мобильной технике и теле человека , там, где использование массивного оборудования неприемлемо.

Конструктивные особенности таких мышц позволяют делать их практически любого размера. Их можно использовать как элементы хирургического оборудования и как части трансформируемой архитектуры, глубоководные манипуляторы и большие саморазвертывающиеся объекты в космосе. Также такие устройства приводятся в движение вакуумом, за счет чего они более безопасны, чем существующие сегодня гибкие роботы.

Команда разработчиков может даже выстроить мускулы из водорастворимых полимеров. Это открывает возможности для использования роботов в естественной среде с наименьшим вмешательством. Например, робот может отправиться к определенному органу человека, а затем раствориться , доставив лекарство на место.

В планах исследователей не просто сделать работу механизмов максимально натуральной, но и превзойти природные возможности.

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.

Огромное количество мужчин, знаменитых спортсменов, актеров и обычных рабочих, мечтают о красивом подтянутом теле как с обложки журнала. Многие представители сильного пола убеждены, что именно такой внешний вид сделает их уверенными в себе, ведь такое тело нравится красивым женщинам.

Поспорить с этим утверждением сложно, атлеты нравятся большинству женщин. Но как же добиться желаемого результата, если не хочется дни и ночи проводить в спортзале. Казалось бы, идеальное решение – искусственные мышцы, но на самом деле все не так просто, у любой процедуры есть свои показания и побочные эффекты. Рассмотрим несколько видов увеличения мышц искусственным путем.

Увеличение объема мышц

Синтол долгие годы использовался профессиональными спортсменами перед соревнованиями, чтобы придать мышцам дополнительного объема. Это специальный раствор для инъекций, на основе масел, который позволяет локально увеличить мышцу там, где это необходимо. Такая процедура помогает сделать тело точеным и красивыми.

Объем появляется в результате набухания мышц из-за попадания в них масел, также предполагается, что в мышечной ткани возникает локальный воспалительные процесс, провоцирующий отек. Такие искусственные мышцы на самом деле не становятся сильными и крепкими, они лишь опухают, становятся более объемными на вид.

Определенно, такое вмешательство в работу организма полезным назвать очень трудно. Мало того, что синтол годами выводится из организма, он имеет большое количество побочных эффектов, существуют даже случаи летального исхода после применения этого препарата.

Дело в том, что при инъекциях жир может легко попасть в кровеносные сосуды, что в свою очередь провоцирует заболевание, называемое жировой эмболией. Грозит такое состояние страшными последствиями, такими как инсульт и инфаркт. По этой причине в настоящее время профессиональные спортсмены отказываются от синтола в качестве косметической процедуры.

Импланты

Самый простой способ получить красивые на вид искусственные мышцы, ни разу не посещая спортивный зал – сделать пластическую операцию. Врач установит в необходимом месте силиконовые импланты, которые будут выглядеть как настоящие мышцы, но в отличие от мышц при отсутствии тренировок импланты не рассосутся.

Силикон вставляют двумя способами: либо под кожу, либо под мышечную ткань. В первом случае процедура является достаточно безопасной и дешевой, операция проходит быстро, и обычно без последствий, но такие «мышцы» будут выглядеть не натурально, так как будут видны необычные контуры, кроме того, импланты очень мягкие на ощупь, что через кожу хорошо прощупывается.

Во втором случае эффект от операции более натуральный, так как имплант помещают под мышечную ткань, предварительно разрезав ее, и впоследствии сшив. Такое вмешательство является достаточно сложным, требуется длительная реабилитация после операции, восстановление мышечной ткани проходит достаточно тяжело и долго.

В отличие от использования медикаментов, эффект от имплантов останется навсегда, но любое хирургическое вмешательство может иметь осложнения:

• Импланты не всегда приживаются, иногда приходится снова делать операцию, удаляя их;
• Организм может ответить бурной аллергической реакцией на инородное тело;
• После операции может возникнуть кровотечение, инфекция, воспалительный процесс в тканях, нагноение;
• Если хирург недостаточно опытен, могут остаться заметные рубцы;
• Может возникать сильный отек тканей, который не проходит длительное время.

Если человек решается на операцию, нужно обязательно убедиться, что врач достаточно опытный, обязательно пройти обследование, и не ложиться под нож пластического хирурга, если есть противопоказания. Красивым можно стать и без риска для дальнейшей жизни.

Пуш-ап

Еще один способ казаться накачанным и сильным – носить накладки. Как известно, многие годы женщины использую пуш-ап бюстгальтеры, чтобы их грудь казалась пышной, такое белье устраивает большинство дам, и под нож они ложиться не собираются.

Почему бы и мужчинам не воспользоваться этим безопасным и вполне эффективным методом. Если надеть накладку под одежду, тело будет казаться более объемным и мужественным, чего достаточно многим мужчинам, чтобы чувствовать себя уверенными в себе на работе и при встрече с друзьями.

Такой способ является полностью безопасным, в отличие от лекарств и хирургического вмешательства. Накладки ни коем образом не вредят организму, не вызывают физического привыкания, но они имеют и ряд существенных недостатков:

• В первую очередь, в пуш-ап накладках очень жарко, особенно летом. Такой метод подойдет для холодного времени года.
• Накладки незаметны под одеждой, но если снять рубашку, тайна сразу раскроется.
• Искусственные мышцы на ощупь не похожи на настоящие мускулы.
• Накладки не сокращаются, как настоящие мышцы, поэтому при прикосновении сразу выдают себя.
• Стоят они не дешево, на эти деньги лучше приобрести абонемент в спортзал и заняться своим здоровьем и фигурой по-настоящему.

Стероиды

Еще один всем известный метод быстро и без тренировок нарастить мышцы – прием анаболиков . Казалось бы, такой метод является прекрасным решением для тех, кто хочет красивое тело, но ленится тренироваться. При том, мышцы растут по-настоящему, а не опухают как от синтола, внутри нет никаких инородных тел, как при установке имплантов.

Стероиды-анаболики повышают количество тестостерона в организме. Таким образом, мозг воспринимает себя более мужественным и начинает активно наращивать мышечную массу, делая человека сильнее и крупнее. Минусом стероидов является то, что они вызывают привыкание, со временем организм перестанет вырабатывать тестостерон самостоятельно.

Кроме того, анаболики имеют побочные эффекты, они негативно влияют на печень, угнетая ее работу, нарушая кровообращение. Как следствие, в организме накапливаются вредные вещества, поэтому могут возникать злокачественных новообразования. Кроме того, при приеме анаболиков повышается давление, уровень холестерина в крови, и соответственно, риск сердечно-сосудистых заболеваний.

Технологии

В последние годы ученые активно работают над созданием искусственной мышцы, которая идеально повторяет настоящую мышцу человека. Такое изобретение поможет не только в пластической хирургии, искусственную мышцу можно имплантировать в сердце, чтобы нормализовать его работу.

Ученые изготовили мышцу из полимеров, которая прекрасно имитирует настоящую мышцу человека. Они сокращаются и прекрасно работают, но ученых смущает, что такие мышцы недостаточно крепки, и не всегда выполняют свои функции, могут рваться, поэтому о полноценной жизни в таком случае говорить трудно.

Кроме того, искусственные мышцы получались очень дорогими, поэтому для простых людей они бы никогда не были доступными. Сейчас ученые активно изучают возможность создания мышц и их имплантации в тело человека, наверняка через несколько десятков лет им это удастся, и пластическая хирургия сделает большой шаг вперед.

Лучшее

Лучше всего получить настоящие мышцы, регулярно тренируясь и правильно питаясь . Такой метод не только самый безопасный, но он действительно поднимет самооценку, укрепит тело, ведь, чтобы добиться таких высот, нужно очень постараться и долго тренироваться.

Вставить силиконовые мышцы, или употреблять лекарства проще всего, но разве это добавит человеку уверенности в себе и здоровья. До сих пор такие методы считаются вредными и настоящие спортсмены их не уважают. Лучший способ сделать тело красивым и подтянутым – заниматься в тренажерном зале.

Увеличение (видео)

Искусственные мышцы из нейлоновой лески

С обычной рыболовной леской из полимерного материала можно сделать занимательный опыт. Если вытянуть леску в длину и, зажав один конец, долго закручивать другой вокруг своей оси, то на леске образуются плотные кольца и она приобретает вид спиральной пружины. При нагревании эта пружина сокращается, а при охлаждении – удлиняется. Сборная команда новосибирских школьников исследовала свойства такой «искусственной мышцы» на Международном турнире юных физиков IYPT-2015. Интересно, что для количественного описания сокращения таких мышц можно использовать теорему Калугаряну – Уайта – Фуллера, ранее нашедшую применение в молекулярной биологии при описании сверхспирализованных ДНК

Искусственные мышечные волокна, способные многократно сокращаться под действием внешнего стимула и совершать механическую работу, в недалеком будущем могут найти применение в разнообразных приложениях, от экзоскелетов и промышленных роботов до микрофлюидных технологий. Разработки и исследования искусственных мышц ведутся по разным направлениям – металлы с памятью формы, электроактивные полимеры, жгуты из углеродных нанотрубок. Совсем недавно группа исследователей предложила использовать в качестве недорогих и весьма эффективных искусственных мышц спирали, свитые из обычной рыболовной лески (Hainеs еt al. , 2014). Такая искусственная мышца заметно сокращается при нагревании и вновь удлиняется при охлаждении. Изготовить спиральную мышцу из нейлоновой лески и исследовать ее свойства было предложено участникам Международного турнира юных физиков IYPT-2015 в задаче «Искусственная мышца».

Мышцы требуют тренировки

В наших экспериментах мы использовали леску диаметром 0,7 мм. Чтобы свернуть ее в спираль, мы закрепили электродрель в вертикальном положении, зажали один конец лески в патроне, а к другому концу прикрепили груз весом 3 Н – при таком весе леска не порвется, а свернется в однородную спираль. В процессе закрутки груз должен подниматься вверх, не проворачиваясь вокруг вертикальной оси, для чего на него устанавливается фиксатор.

Когда продольные волокна на поверхности лески завиваются примерно на 45° по отношению к продольной оси, леска начинает скручиваться в плотную спираль. Исходный отрезок лески длиной 1 м при скручивании превращается в 17 см такой спирали. При этом нейлон претерпевает столь сильную пластическую деформацию, что после снятия вращающего усилия спираль почти не раскручивается обратно. В принципе это новое состояние волокон можно закрепить, медленно нагрев леску до температуры, близкой к температуре плавления, а затем охладив ее.

Во избежание раскручивания спирали при последующих испытаниях мы составляли искусственную мышцу из двух спиралей с правой и левой завивкой, скрепляя их параллельно. Снизу к вертикально подвешенной мышце крепился поднимаемый груз. Для сокращения мышцы на ее верх­ний конец по трубке подавалась горячая вода, которая свободно стекала по спиралям вниз. Температура мышцы измерялась закрепленным на ней термодатчиком, удлинение – ультразвуковым датчиком перемещения.

Работа, совершаемая двигателем по перемещению груза против постоянной действующей силы, равна произведению величины силы и перемещения. Например, при перемещении свободно подвешенного груза весом 10 Н вверх (т.е. в направлении, противоположном вектору силы тяжести) на 0,03 м подъемник совершает работу 10 Н × 0,03 м = 0,3 Дж.

Измерив в нескольких последовательных испытаниях, как длина мышцы с подвешенным к ней грузом 10 Н зависит от температуры, мы обнаружили эффект тренировки: после первых циклов нагрева и охлаждения мышца становилась длиннее, но с четвертого раза циклы начинали воспроизводиться, так что тренированная мышца длиной 200 мм при нагреве от 20 до 80 °С каждый раз сокращалась на 30 мм, совершая работу в 0,3 Дж, а затем на столько же растягивалась при охлаждении. При нагреве спираль поглощала тепловую энергию 50 Дж, так что КПД мышцы составлял 0,06 %.

Твист и серпантин

Объясним теперь, почему нейлоновая спираль сокращается при увеличении температуры. Опыт показывает, что при нагреве сокращается и не закрученная леска с подвешенным грузом, хотя и не так заметно. Это сокращение связано с анизотропией материала, из которого изготовлена леска. Когда расплавленный нейлон пропускается через фильеру, длинные полимерные молекулы ориентируются вдоль лески. Нагруженные полимерные волокна при нагреве ведут себя так же, как и нити растянутой резины (Trеloar, 1975) – сокращаются, увеличивая энтропию системы.

Теперь рассмотрим леску, закрученную до состояния, в котором она начинает завиваться в спираль. Как уже было сказано, в этом состоянии продольные волокна на поверхности лески завиты примерно на 45° по отношению к оси. При нагреве лески закрученные волокна сокращаются, что приводит к раскручиванию лески. Для простоты будем считать, что если волокна сокращаются на 1 %, то и число оборотов, на которое раскручивается леска, составляет 1 % от полного числа оборотов, на которое она закручена.

Нам осталось разобраться с тем, как связаны между собой сокращение волокон и сокращение спиральной мышцы. Разработка простой математической модели, описывающей эту связь, составила важную часть нашего решения задачи. В итоге для описания сокращения спирали мы применили формулу Калугаряну – Уайта – Фуллера (CWF):

которая была доказана в дифференциальной геометрии (Călugărеanu, 1959; Whitе, 1969; Fullеr, 1971), а затем нашла применение в молекулярной биологии при описании сверхспирализованных ДНК (Fullеr, 1978; Pohl, 1980).

Число зацепления Lk (англ. – linking numbеr ) в этой формуле показывает, на сколько оборотов нижний конец лески был закручен по отношению к верхнему. Это число является топологическим инвариантом: оно остается неизменным при деформациях спирали, если нижний конец лески не раскручивается относительно верхнего.

Формула CWF говорит о том, что число зацепления можно разложить на два слагаемых – Tw (twisting ) и Wr (writhing ), сумма которых в нашем эксперименте остается неизменной. Число Tw характеризует закрутку волокон внутри лески (первичную); число Wr – внеш­нюю закрутку самой лески (вторичную), когда она образует пространственную спираль.

Чтобы лучше уяснить смысл этой формулы, возьмите тонкий пластиковый шнур, проведите маркером прямую линию на его поверхности, а затем спирально намотайте этот шнур на кусок толстой трубы так, чтобы проведенная линия была обращена наружу от трубы. Допустим, что шнур обернут вокруг трубы на 5 оборотов. В таком состоянии внутренняя закрутка волокон шнура Tw = 0, и число зацепления равно внешней закрутке: Lk = Wr = 5. Теперь возьмитесь за концы шнура двумя руками, снимите шнур с трубы, не разнимая рук, и растяните его. Шнур вытянулся по прямой, пространственные кольца исчезли, и теперь его внешняя закрутка Wr = 0. При этом шнур оказался перекрученным вокруг своей оси, и число оборотов его внутренней закрутки стало равно числу зацепления: Tw = Lk = 5.

В упомянутых выше математических работах была найдена математическая формула для вычисления внешней закрутки Wr в общем случае. Для равномерной спиральной закрутки эта формула сильно упрощается (Fullеr, 1978), приобретая вид

Wr = N ∙(1 – sin α),

где N – это число витков внешней спирали, α – угол подъема винтовой линии спирали.

Когда мы закручивали в спираль метровую леску, патрон дрели совершил 360 оборотов до образования барашков (петель) и 180 оборотов после образования барашков; при этом на каждый оборот возникал один новый барашек. Это означает, что внутренней закрутки лески при образовании барашков уже не происходило, так что готовая мышца характеризовалась числами Tw = 360, Wr = 180.

Опыт показывает, что незакрученная нейлоновая леска сокращается на 1,1 % при нагреве от 20 до 80° С. Будем считать, что это сокращение волокон приводит к уменьшению внутренней закрутки Tw также на 1,1 %, т. е. на 4 оборота. Тем самым внешняя закрутка Wr увеличивается на 4 оборота, т. е. на 2,2 %. Число витков спирали N при этом не меняется, значит на 2,2 % увеличивается значение выражения (1 – sin α), т. е. уменьшается величина угла α, за счет чего спираль и становится короче. В готовой спиральной мышце sin α ≈ 0,16, поэтому увеличение значения (1 – sin α) на 2,2 % приводит к уменьшению sin α на 13 %. Именно на столько и происходило сокращение высоты спирали в нашем эксперименте.

Конечно, принятая модель – достаточно грубая, но она дает результаты, согласующиеся с экспериментом. Ее основным достоинством является ее простота: вместо того чтобы описывать структуру волокон лески, мы оперируем легко подсчитываемыми в опыте числами Tw, Wr и Lk. Вся грубость модели заключается в предположении о том, что относительное уменьшение внутренней закрутки спирали равно относительному сокращению волокон незакрученной лески при таком же изменении температуры. Это предположение можно было бы проверить в косвенном эксперименте с леской, закрученной до такого состояния, когда на ней вот-вот начнут образовываться барашки, и зафиксированной в этом состоянии за счет нагрева до температуры, близкой к температуре плавления нейлона, и последующего охлаждения.

Литература

Călugărеanu G. L’ intégral dе Gauss еt l’analysе dеs noеuds tridimеnsionnеls // Rеv. Math. Purеs Appl. 1959. V. 4. P. 5–20.

Chеrubini A., Morеtti G, Vеrtеchy R., Fontana M. Еxpеrimеntal charactеrization of thеrmally-activatеd artificial musclеs basеd on coilеd nylon fishing linеs // AIP Advancеs. 2015. V. 5. Doc. 067158.

Hainеs C. S., Lima M. D., Na Li еt al. Artificial musclеs from fishing linе and sеwing thrеad // Sciеncе. 2014. V. 343. P. 868–872.

Fullеr F. B. Thе writhing numbеr of a spacе curvе // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1971. V. 68. P. 815–819.

Fullеr F. B. Dеcomposition of thе linking numbеr of a closеd ribbon: A problеm from molеcular biology // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1978. V. 75. P. 3557–3561.

Pohl W. F. DNA and diffеrеntial gеomеtry // Math. Intеlligеncеr. 1980. V. 3. P. 20–27.

Trеloar L. R. G. Thе physics of rubbеr еlasticity. Oxford univеrsity prеss, 1975.

Whitе J. H. Sеlf-linking and thе Gauss intеgral in highеr dimеnsions // Am. J. Math. 1969. V. 91. P. 693–728.

Существуют яркие технологические проекты «на слуху», вроде автомобильных автопилотов или термоядерной энергетики, которые, скорее всего, очень серьезно изменят нашу жизнь. Но есть и совсем неброские на первый взгляд идеи, последствия внедрения которых могут привести к едва ли не более радикальным переменам в повседневной жизни. Самый лучший пример — «мускульная ткань», появившаяся в фантастической литературе лишь тогда, когда в лабораториях уже полным ходом шли работы по созданию металлических и полимерных искусственных мышц, в том числе и для человеческих протезов.

В современной технике в основном используются два эффективных способа совершения механической работы: термодинамический и электромагнитный. Первый основан на использовании энергии сжатого газа, как в двигателях внутреннего сгорания, паровых турбинах и огнестрельном оружии. Во втором задействованы магнитные поля, создаваемые электрическими токами, — так работают электромоторы и электромагниты. Однако в живой природе для получения механического движения используется совершенно иной подход — управляемое изменение формы объектов. Именно так работают мышцы человека и других живых существ. При поступлении нервного импульса в них запускаются химические реакции, которые приводят к сокращению или, наоборот, к растяжению мышечных волокон.

Преимущества такого «природного» привода связаны с тем, что материал меняется как целое. Это значит, что в нем нет движущихся друг относительно друга, а следовательно, трущихся и изнашивающихся частей. Кроме того, сохраняется целостность организма (или, правильнее сказать, его геометрическая связность). Движение возникает на молекулярном, или, как модно теперь говорить, наноуровне за счет небольшого сближения или удаления друг от друга атомов вещества. Это практически избавляет мышцы от инерционности, которая так характерна для всех роботов с электродвигателями. Но, конечно, у мускульного привода есть и недостатки. Если говорить о живых мышцах — это постоянный расход химических компонентов, которыми необходимо снабжать каждую клетку мышечной ткани. Такие мышцы могут служить только в качестве части сложного живого организма. Другой недостаток связан с постепенным старением материала. В живом организме клетки периодически обновляются, а вот в монолитном техническом устройстве подобное обеспечить крайне сложно. В поисках искусственных мышц ученые стремятся сохранить преимущества, свойственные движителям на основе изменения формы, и в то же время избежать их недостатков.

Память формы

Первые исследования в области искусственных мышц были напрямую связаны с эффектом памяти формы, который присущ некоторым сплавам. Он был открыт в 1932 году шведским физиком Арни Оландером (Arne Olander) на примере сплава золота с кадмием, но почти 30 лет не привлекал особого внимания. В 1961 году память формы совершенно случайно обнаружили у никель-титанового сплава, изделие из которого можно произвольно деформировать, но при нагреве оно восстанавливает свою первоначальную форму. Не прошло и двух лет, как в США появился коммерческий продукт — сплав, нитинол, получивший название по своему составу и месту разработки (NITINOL — NiTi Naval Ordnance Laboratories).

Память формы обеспечивается за счет того, что кристаллическая решетка нитинола может находиться в двух устойчивых состояниях (фазах) — мартенситном и аустенитном. При температуре выше некоторой критической весь сплав находится в аустенитной фазе с кубической кристаллической решеткой. При охлаждении сплав переходит в мартенситную фазу, в которой благодаря изменившимся геометрическим пропорциям ячеек кристаллической решетки становится пластичным. Если приложить небольшое механическое усилие, изделию из нитинола в мартенситном состоянии можно придать почти любую конфигурацию — она будет сохраняться до тех пор, пока предмет не нагреют до критической температуры. В этот момент мартенситная фаза становится энергетически невыгодной, и металл переходит в аустенитную фазу, восстанавливая прежнюю форму.

Так это выглядит в простейшем случае. На практике, конечно, на деформации есть ряд ограничений. Главное — они не должны превышать 7—8%, иначе форма уже не сможет быть полностью восстановлена. Последующие разработки позволили создать различные варианты нитиноловых сплавов. Например, есть такие, что помнят сразу две формы — одна соответствует высоким температурам, другая — низким. А при промежуточных температурах материал можно произвольно деформировать, но он вспомнит одну из двух своих форм при нагреве или охлаждении.

На сегодняшний день известно уже более десятка сплавов с памятью формы на базе разных элементов. Однако семейство нитиноловых сплавов остается самым распространенным. Эффект памяти формы в сплавах на основе NiTi четко выражен, причем диапазон температур можно с хорошей точностью регулировать от нескольких градусов до десятков, вводя в сплав различные примеси. Кроме того, нитинол недорог, удобен в обработке, устойчив к коррозии и обладает неплохими физико-механическими характеристиками: например, его предел прочности всего в 2—4 раза ниже, чем у стали.

Пожалуй, основным недостатком подобных сплавов долгое время был небольшой запас цикличности. Количество управляемых деформаций не превышало пары тысяч итераций, после чего сплав терял свои свойства.

В мгновение ока

Разрешить эту проблему смогла компания NanoMuscle. Зимой 2003 года на международной ярмарке игрушек в Нью-Йорке ею была представлена необычная кукла — Baby Bright Eyes. Игрушка очень реалистично копировала мимику глаз маленького ребенка, чего практически невозможно достичь при помощи традиционно применяемых в игрушечной индустрии микроэлектродвигателей — они слишком инерционны. При этом стоимость куклы (при серийном производстве) оценивалась всего в 50 долларов, что выглядело совсем уж фантастично.

При создании прототипа куклы инженерам компании NanoMuscle удалось преодолеть ограничения цикличности, используя наночастицы из титана и никеля, а также разработав программное обеспечение, управляющее сплавом в более щадящем режиме, поэтому жизненный цикл таких наномускулов превышает пять миллионов итераций. Наночастицы соединялись в тонкие волокна диаметром около 50 микрон, а из них сплетался провод длиной несколько сантиметров, который мог менять длину на 12—13% (еще один рекорд).

Вызывает уважение и сила устройства, получившего название NanoMuscle Actuator. При равной массе наномускул развивает мощность в тысячу раз больше, чем человеческие мышцы, и в 4 000 раз больше, чем электродвигатель, и при этом скорость его срабатывания составляет всего 0,1 секунды. Но что особенно важно, благодаря составной конструкции NanoMuscle Actuator не переходит скачком из одного состояния в другое, а может двигаться плавно с заданной скоростью.

Наномускул, используемый для приведения в движение глаз куклы, управлялся 8-битным микропроцессором и имел напряжение питания 1,8 вольта. Его расчетная цена при промышленном производстве не превышает 50 центов. Позднее было представлено целое семейство игрушек такого рода с большим числом движущихся элементов. А вскоре венчурная компания NanoMuscle была поглощена быстро растущей китайской корпорацией Johnson Electric, которая специализируется на выпуске электрических приводов для самой разной техники — от DVD-проигрывателей до автомобильных зеркал.

Примерно в это же время в Техасском университете нанотехнолог Рэй Бахман (Ray Baughman) придумал, как заставить работать металлические мышцы вовсе без электричества — напрямую от химического топлива, что может пригодиться в системах с высокими требованиями к автономности. Трос из сплава с памятью формы он покрыл платиновым катализатором и стал обдувать смесью паров метанола, водорода и кислорода. В газовой среде из-за низкой концентрации реакция практически не идет, а вот на покрытой катализатором поверхности выделялось довольно много тепла. Повышение температуры заставляло трос изменять длину, после чего поступление метанола прекращалось, и через некоторое время трос остывал и возвращался к исходной длине. Может показаться, что это не слишком удачная идея, но ведь вовсе не обязательно, чтобы задействованные металлические мышцы непосредственно приводили в движение конечности или колеса робота. Если таких мышц много и они работают попеременно, то привод оказывается вполне стабильным, 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 создании искусственных мышц. Доктор Йозеф Бар-Коэн (Yoseph Bar-Cohen) из Лаборатории реактивного движения NASA занимается созданием альтернативной 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 похвастаться двумя типами искусственных мускулов.

Один из них — это полимерные ленты из углерода, кислорода и фтора. При подаче электрического тока распределение зарядов на поверхности такой ленты меняется, и она изгибается. Лаборатория доктора Бар-Коэна уже демонстрировала журналистам простой манипулятор из четырех лент, который позволяет обхватить небольшой предмет и поднять его с земли (в будущем предполагается — с поверхности другой планеты). Очевидно, что сложность и разнообразие возможных движений такого захвата зависят лишь от конфигурации полимерных лент. На видеозаписи движение подобных полимерных мышц выглядит совершенно необычно: зажатые в тиски ленты вдруг начинают гнуться вверх и вниз — сначала медленно, как лепестки цветка, но потом все быстрее, все чаще, и вот их уже даже не видно — как крыльев комара в полете.

Устройства второго типа отличаются геометрией: пластины EAP свернуты в трубочки наподобие листьев табака в сигаре. При подаче напряжения трубочки сжимаются и сдавливают эластичную сердцевину, заставляя ее вытягиваться. В NASA надеются, что такие устройства могут быть использованы в новом поколении планетоходов. Например, в одном из проектов предлагается вместо отправки одного-двух тяжелых колесных аппаратов разбросать вокруг точки посадки сотни шариков с датчиками, адаптерами беспроводной сети и приводами на основе искусственных мышц второго типа, которые позволят шарикам перепрыгивать с места на место. Это даст возможность быстро и недорого обследовать сразу целую территорию. 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 — вполне достаточно для прыжков по далеким планетам.

Поединок с роботом

Два года назад Бар-Коэн и несколько руководителей конкурирующих лабораторий решились на небольшое шоу для популяризации своих разработок — турнир по армрестлингу с искусственной рукой. В пресс-релизе событие предварялось такой решительной фразой: «Если автоматизированная рука победит, то она откроет двери для многих новых технологий в медицине, военном деле и даже индустрии развлечений».

Выбор соперника, а точнее соперницы, устроители турнира предоставили телевизионщикам, и те предпочли старшеклассницу Панну Фелсен (Panna Felsen), которая основала в своей школе в Сан-Диего клуб робототехники. Ей предстояло побороться с тремя искусственными руками по правилам, приближенным к классическим. За их соблюдением следили двое профессиональных борцов-армрестлеров. Шоу удалось на славу, однако оно немного остудило некоторые горячие головы: ни одна рука не выстояла против безусловно красивой, но хрупкой девушки.

Первым ее соперником стал манипулятор от американской компании Environmental Robots Incorporated с двумя искусственными мускулами. Поединок с роботом продлился 24 секунды. Второй и третий соперники выдержали всего 4 и 3 секунды соответственно. Турнир выявил кроме чисто силовых проблем, которые всегда можно решить наращиванием числа полимерных пластин, и другие серьезные недостатки аппаратов. Например, третья рука, созданная в Политехническом институте штата Виргиния, использовала для активации полимера не электрические импульсы, а химические процессы. По мнению ее разработчиков, такое решение намного более естественно для будущей реализации искусственных мышц. Однако в ходе шоу в полной мере проявилась медлительность химического механизма активации: искусственная мышца начала работать лишь спустя несколько секунд после начала поединка, так что манипулятор потерпел поражение еще до того момента, как вышел на рабочий режим.

Детство чемпиона

Один из серьезных конкурентов группы Бар-Коэна — компания Artificial Muscle, чрезвычайно серьезным образом понимающая свою миссию: «Вывести на рынок твердотельные приводы, которые сделают с моторами и насосами то же, что полупроводники сделали с электронными лампами». В качестве «твердотельных» приводов в Artificial Muscle занимаются все теми же электроактивными полимерами, но, чтобы отличаться от конкурентов, используют другую аббревиатуру — EPAM (Electroactive Polymer Artificial Muscle). По мнению разработчиков, искусственные мышцы в будущем превзойдут все остальные механические приводы — электромагнитные, пневматические, гидравлические и пьезоэлектрические — по всем параметрам: стоимости, шуму, скорости, весу и удельной мощности.

Но то в будущем, а пока однослойная полимерная искусственная мышца EPAM способна развивать усилие всего 0,5 ньютона (вес 50-граммовой гири). Правда, складывая десятки таких слоев, можно получить довольно значительный эффект. Такие устройства уже сейчас предлагаются, например, производителям фотоаппаратов в качестве приводов для механизма автофокусировки.

Искусственные мышцы быстро развиваются, однако многие результаты уже скрыты за завесой коммерческой тайны, поэтому трудно говорить о том, какие показатели являются на сегодня рекордными. Но, например, способность выдерживать до 17 тысяч циклов сжатия-растяжения в секунду, заявленная Artificial Muscle, имеет высокие шансы оказаться рекордом быстродействия в мире искусственных мышц. Так же как и возможность полимерного материала изменять свою длину в 3,8 раза, достигнутая в лаборатории компании. Конечно, долго такое «издевательство» над веществом продолжаться не может, и если требуется, чтобы полимерная мышца надежно срабатывала миллионы раз, она не должна менять свою длину более чем на 15%. По крайней мере, при современном уровне развития этой отрасли.

Электромускульная броня

Но благородные научные интересы специалистов вроде доктора Йозефа Бар-Коэна не идут ни в какое сравнение с объемами финансирования и техническими возможностями лабораторий, которые не гнушаются работой на военных, вроде BAE Systems. Эта компания выполняет военные заказы практически для всех технически развитых государств мира, и поэтому информация о ее разработках появляется достаточно часто, несмотря на режим секретности.

На этот раз утечка произошла через небольшую британскую компанию H. P. White Laboratory, которая занимается в основном испытаниями на прочность защитных систем: брони, пуленепробиваемых стекол, бронежилетов. По британским законам, информация о деятельности военных и медицинских компаний не может быть полностью спрятана за секретностью патентов, поэтому по их отчетам можно косвенно проследить за развитием новых разработок в военной сфере. На этот раз исследователи предложили использовать принцип EAP для создания «брони со множественными напряжениями», которая представляет собой многослойную структуру из большого числа полимерных лент с вкраплением микрочастиц прочной керамики и определенным образом ориентированных намагниченных частиц. Пуля, которая попадает в броню, вызывает начальную деформацию и приводит к резкому смещению намагниченных частиц. За счет индукции возникает короткий электрический импульс, заставляющий полимерные ленты сжиматься, резко повышая прочность брони, поскольку частицы вкрапленной бронекерамики имеют определенный силуэт, который позволяет им при сжатии сцепляться в сплошное покрытие.

Самое главное достоинство этой системы заключается в том, что максимальная «плотность» брони образуется как раз в точке попадания пули, постепенно уменьшаясь по сторонам. В результате кинетическая энергия пули равномерно распределяется почти по всей площади бронежилета. Броня получилась хоть и объемнее, но намного легче современных аналогов. Если раньше очередь в бронежилет из автоматической винтовки не убивала человека, но гарантированно выводила его из строя минимум на десятки минут, то, по предварительным расчетам, новая защитная система не оставит даже гематом на теле солдата.

К настоящему времени искусственные мускулы используются в основном в специфических областях, традиционно имеющих мощную государственную поддержку. Гражданские и даже медицинские исследования заметно отстают от военных. Разработчики искусственных мышц тщательно охраняют секреты их производства. Например, Artificial Muscle даже никому не продает свои полимерные ленты — только готовые приводы на их основе. В какой-то момент положение оказалось столь вопиющим, что группа Бар-Коэна просто взяла и опубликовала на своем сайте несколько нехитрых рецептов изготовления электроактивных полимеров, чтобы к работе могло подключиться больше независимых исследователей. Первые общедоступные устройства, использующие основные возможности искусственных мышц, появятся уже в ближайшее десятилетие, и они имеют все шансы стать той революционной новацией, которая откроет дорогу к созданию недорогих многофункциональных самодвижущихся бытовых роботов. Да и не только роботов. По признанию доктора Бар-Коэна, разработка этой технологии очень напоминает изобретательский бум конца XIX — начала XX века: материалы легкодоступны, опыты и исследования может поставить любой студент со светлой головой, а денежные затраты минимальны.

Так что осталось запастись терпением и через десяток лет хорошенько перетряхнуть содержимое книжной полки с научной фантастикой, чтобы избавиться от безнадежно устаревших в техническом плане книг.