Учёные представили инновационные искусственные мышцы, которые в сто раз сильнее человеческих. Три независимые группы исследователей разработали собственные варианты, различающиеся материалами и сферами применения.

Getty Images

Все синтетические мышцы имеют общую черту – как правило, они представляют собой упругие волокна, которые растягиваются и сокращаются, как и их природный аналог. Пионером в разработке искусственных мышц признан Рэй Боуман, директор . На первых этапах исследования Боуман и его команда работали с самыми привычными материалами, которые можно найти в любом доме – нитками для шитья и леской. Они стремились доказать и наглядно продемонстрировать, что даже базовые материалы могут образовать подобные мышцам структуры. В ходе лабораторных испытаний техасцы пришли к наилучшим, на их взгляд, материалам для формирования волокон искусственных мышц – шёлку и бамбуку.

UT Dallas

Учёные также разработали специальную оболочку, которая реагирует на электрохимические и температурные колебания. Покрытые этой оболочкой волокна сокращаются и двигаются подобно тому, как двигаются человеческие мышцы под воздействием внешних раздражителей. Подобный вариант синтетических мышц может найти применение в производстве умной одежды. Например, помещённые внутрь ткани мышечные волокна могут автоматически расширять «поры» материала в ответ на повышенную влажность или повышение температуры тела.

Science | AAAS

Исследователи из Университета Бордо разработали собственный вариант искусственной мышцы из эластичного полимера и графена. Их синтетическая мышца напоминает высокотехнологичный аналог резиновой ленты, используемой в резиномоторных авиамоделях. Главный научный сотрудник проекта Джинкай Юань и его коллеги постарались над тем, чтобы эту «резинку» не приходилось скручивать после каждого растяжения: комбинация графена и полимера в составе волокна позволяет создать «эффект памяти». Эластичный полимер может растягиваться и сжиматься, но контроль степени сокращения происходит через проводящий ток графеновый слой. Юань предполагает, что подобный концепт имеет потенциал в медицине, например, такие волокна можно использовать для управления работой миниатюрных клапанов внутри медицинских приборов.

Science | AAAS
Science | AAAS

В отличие от графеново-полимерных волокон, которые приводятся в движение при помощи электричества, принцип действия синтетических мышц, разработанных учёными из Массачусетского Технологического Института гораздо ближе к человеческим. Команда МТИ во главе с Мехметом Каником представила волокна из полиэтилена высокой плотности и эластомера. При нагревании тепло распространяется по волокнам равномерно, но из-за разницы коэффициентов теплового расширения один из полимеров быстро сокращается, а второй удерживает его от хаотичного сжатия, заставляя завиваться в виде спирали. Вдохновением для исследователей послужили растительные побеги-усики огурцов, которые сокращаются, регулируя давление в клетках. Сокращение волокна происходит даже при незначительных колебаниях температуры, потому материал не страдает от резких перепадов температуры и не теряет свои свойства даже после десяти тысяч циклов сжатия. При этом такая искусственная мышца может поднимать грузы, масса которых в 650 раз превышает её собственный.

Mehmet Kanik and Sirma Orguc / Massachusetts Institute of Technology

В ходе лабораторных тестов специалисты экспериментировали с различными температурами: при нагревании волокна на 14°C общая длина нитей сократилась на 50%. Кроме того, исследователи попытались использовать синтетические мышцы для управления маленькой роботической рукой. Разогревая и охлаждая волокна они заставляли руку поднимать и перемещать небольшие грузы. Более того, изменяя расположение и соотношение нитей из разных материалов внутри полотна, учёные смогли управлять направлением движения. Силу сокращений также можно регулировать, изменяя пропорции и диаметр нитей исходных полимеров.

Polina Anikeeva (MIT) Science | AAAS

На данном этапе работ искусственные мышцы значительно уступают настоящим в плане эффективности их работы. Сегодня даже самые совершенные синтетические мышечные волокна преобразовывают в полезную работу не больше 3-5% затраченной энергии, оставшаяся энергия теряется в виде тепла. Если инженеры и биотехники преуспеют в устранении потерь энергии, возможности применения синтетических мышц будут безграничными: начиная от умной одежды и протезов до робототехники и экзоскелетов.

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.

Исследователи из Колумбийского университета в Нью-Йорке изобрели искусственные мышцы, способные поднимать грузы в тысячи раз тяжелее собственной массы. Методика изготовления настолько проста, а материалы настолько доступны, что заняться конструированием мягкой робототехники может любой желающий, особенно если в наличии имеется 3D-принтер.

Несмотря на сногсшибательные успехи , до настоящих «терминаторов» человечеству еще далеко. Алгоритмы постоянно совершенствуются, машины становятся все умнее – настолько, что искусственного интеллекта начинает побаиваться даже Илон Маск. А вдруг Теодор Качинский был прав? Но вот «железо» развивается куда более медленными темпами, чем «софт». Механические, пневматические и гидравлические актуаторы слишком сложны, да и зачастую ненадежны, материалы с эффектом памяти формы дороги и неэффективны, а электроактивные полимеры требуют относительно высоких энергетических затрат. Чем же приводить в движение андроидов будущего?

Свой вариант предложил доктор наук Аслан Мирийев, научный сотрудник лаборатории Creative Machines при Колумбийском университете. Идея заключается в изготовлении искусственных мышц из силиконовых эластомеров, насыщенных обычным питьевым спиртом. Этиловый спирт (хотя необязательно этиловый) играет ключевую роль, так как расширение и сокращение мышц происходит в результате перехода микрокапель этанола из жидкой фазы в газообразную и обратно. Достигается это за счет нагревания и охлаждения: испарение пойманного в силиконе спирта приводит к росту давления и, соответственно, расширению эластомерной конструкции.

Необходимая температура задается пронизывающим мышцу линейным или спиральным электрическим нагревательным элементом. При использовании этанола максимальный эффект достигается продолжительным нагреванием чуть выше точки кипения в 78,4°С. Насколько выше, зависит от состава используемого материала, ведь силикон будет сопротивляться расширению, а чем выше плотность материала, тем выше давление и температура кипения спирта. В своих опытах Аслан остановился на материале с 20-процентным содержанием этанола, как на оптимальном. Изготавливается смесь простым смешиванием силикона и этанола в необходимых пропорциях до равномерного распределения микропузырьков спирта. Затем смесь можно использовать для литья в формы или аддитивного производства методом робокастинга, то есть экструзионной 3D-печати, но без нагревания. Например, шприцевым экструдером. В ходе экспериментов искусственные мышцы продемонстрировали способность увеличиваться в объеме на 900% и выдерживать многократные нагрузки. Так, шестиграммовый образец тридцать раз подряд поднимал и опускал груз массой около шести килограммов, то есть в тысячу раз больше собственной! Максимальные же показатели и того выше: двухграммовый мускул осилил нагрузку в 12 кг, хотя и на пределе возможностей.

Пока все замечательно, но ведь мышцы должны сокращаться, а не расширяться? Ничего страшного. Рабочий вектор можно задавать оболочками, сдерживающими расширение в заданной плоскости. Например, бицепсы и трицепсы на иллюстрации выше заключены в сетку фиксированной длины, прикрепленную концами к плечу и предплечью. Диаметральное расширение приводит к продольному сокращению, как это происходит с настоящими мускулами. В этом примере использовались 13-граммовые мышцы, способные поднимать вес до одного килограмма при нагревании спиральным элементом из нихромовой проволоки под напряжением 30В с силой тока в 1,5А. Изгиб же можно задавать с помощью «пассивных» слоев из гибких материалов с относительно высоким сопротивлением на растяжение, наносимых на «внутреннюю» сторону деформируемого актуатора, как в примере с захватом на иллюстрации ниже.

Лабораторная стоимость изготовления таких мышц в пересчете на грамм не превышала трех центов. Для печати опытных конструкций из термопластов использовались настольные FDM 3D-принтеры Ultimaker, Ultimaker 2+ и Stratasys uPrint, тогда как печать непосредственно искусственных мышц осуществлялась на самодельном двухэкструдерном 3D-принтере, оснащенном шприцевыми головками. С полным докладом можно ознакомиться по этой ссылке .

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру!.

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.