Искусственные мышцы — новая разработка ученых. Сделай сам: синтетические мышцы из лески и нитки Техасский университет: искусственные мышцы из рыболовной лески и швейных ниток
Учеными из Национального университета Сингапура был создан новый тип искусственных мускулов, чьи показатели впечатлили коллег. Дело в том, что этот новый тип мускулов может растягиваться в пять раз, если учитывать их начальную длину, а вес, который они могут поднимать, превосходит их собственный в 80 раз.
Цель данной разработки обеспечить роботов удивительными силовыми характеристиками и при этом обеспечить наличие пластики как у человека.
По словам доктора Адриана Кох, который на данный момент является руководителем программы, полученный материал имеет структуру, схожую с мышечными тканями живых организмов.
Основной же интерес вызывает то, что, не смотря на свою силу, пластику и гибкость, эти искусственные мышцы реагируют на электрические управляющие импульсы в течение долей секунды, а это, несомненно, колоссальный результат.
Так, например, на данный момент подобного эффекта не может обеспечить никакая механика или гидравлика. Как рассказывает глава группы, если оснастить роботов данными быстродействующими искусственными мускулами, то тогда можно будет избавиться от механических движений роботов и приблизиться к «пластическим» показателям человека или различных животных. При всем этом, выносливость, сила и точность движений должны превосходить человеческие во много раз.
Данный материал представляет собой сложный композит, который, в свою очередь, состоит из различных полимеров. Используя в данном составе материала эластичные полимеры со способностью растягиваться в 10 раз и полимеров, способных выдерживать вес в 500 раз превышающий свой собственный, позволили добиться таких удивительных результатов. Как сообщают ученые – работа над разработкой будет длиться еще не один год, а в течение нескольких лет, планируется создать несколько видов конечностей для роботов, которые оснастят данным видом искусственных мускулов. Интересно то, что конечность будет иметь вес и размер в два раза меньше человеческого аналога, однако шансов на победу у человека будет не много.
Несмотря на то, что данная разработка является наиболее интересной для группы ученых именно в этой сфере, параллельно они планируют использовать полученный материал для иных целей. Так, например, новый материал способен выполнять превращение механической энергии в электрическую энергию и наоборот. И поэтому ученые параллельно занимаются разработкой конструкции электрического генератора на основе мягких полимерных материалов. Интерес тут представляет тот факт, что по планам его вес составит около 10 килограмм, а вырабатывать электроэнергии сможет столько же, сколько вырабатывает традиционный генератор, используемый в турбинах ветрогенераторов и весом в 1 тонну.
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.
Искусственная мышца является общим термином, используемым для исполнительных механизмов, материалов или устройств, которые имитируют естественную мышцу и может обратимо контракт, расширяющие или вращают в течение одного компонента из - за внешний стимул (например, как напряжение, ток, давление или температура). Три основные реакции приведения в действии - сокращение, расширение, и вращение - могут быть объединены вместе в едином компоненте для производства других типов движений (например, изгиб, стягивание одну стороны материала, расширяя другую сторону). Обычные двигатели и пневматические линейные или поворотные приводы не квалифицируются как искусственные мышцы, потому что есть более чем один компонент участвует в приведении.
Благодаря высокой гибкости, универсальность и мощности к весу по сравнению с традиционными жесткими приводами, искусственные мышцы имеют потенциал, чтобы быть весьма разрушительной новой технологией . Хотя в настоящее время ограниченное применение, технология может иметь широкое применение в будущем в промышленности, медицине, робототехнике и многих других областях.
Сравнение с естественными мышцами
Хотя нет никакой общей теории, которая позволяет приводы можно сравнить, есть «критерии мощности» для технологий искусственных мышц, которые позволяют спецификацию новых технологий привода в сравнении с естественными мышечными свойствами. Таким образом, критерии включают стресс , напряжение , скорость деформации , жизненный цикл, и модуль упругости . Некоторые авторы рассматривают другие критерии (Huber и др., 1997), такой как плотность привода и разрешение деформации. По состоянию на 2014 год, самые мощные искусственные мышечные волокна в существовании могут предложить сторицей увеличение мощности по эквивалентной длине естественных мышечных волокон.
Исследователи измеряют скорость, плотность энергии , мощность и эффективность искусственных мышц; не один типа искусственной мышцы является лучшим во всех областях.
Типы
Искусственные мышцы можно разделить на три основные группы в зависимости от их механизма приведения в действие.
Электрическое поле приведения в действие
Электроактивные полимеры (ППМ) представляют собой полимеры, которые могут быть приведены в действие посредством применения электрических полей. В настоящее время наиболее известные включают в себя пьезоэлектрические EAPs полимеров, диэлектрические приводы (Deas), электрострикционные привитые эластомеры , жидкие кристаллические эластомеры (LCE) и сегнетоэлектрических полимеров. Хотя эти EAPs можно согнуть, их низкая пропускная способность для движения крутящего момента в настоящее время ограничивает их полезность в качестве искусственных мышц. Более того, без принятого стандартного материала для создания устройств EAP, коммерциализация остается непрактичной. Однако, значительный прогресс был достигнут в технологии EAP с 1990 года.
Ion на основе приведения в действие
Ионные ППМ представляют собой полимеры, которые могут быть приведены в действие посредством диффузии ионов в растворе электролита (в дополнение к применению электрических полей). Текущие примеры ионных электроактивных полимеров включают polyelectrode гели, иономерный полимер, металлический композиционные материалы (IPMC), проводящие полимеры и электрореологические жидкости (ERF). В 2011 году было показано, что скрученные углеродные нанотрубки также может быть приведен в действие путем приложения электрического поля.
Электрическая мощность приведения в действие
Химический контроль
Хемомеханических полимеры, содержащие группы, которые являются либо рН-чувствительных или служить в качестве селективного сайт распознавания для конкретных химических соединений могут служить в качестве исполнительных механизмов и датчиков. Соответствующие гели набухать или сжиматься обратимо в ответ на такие химические сигналы. Большое разнообразие элементов supramolulecular распознавания может быть введено в геле - образующей полимеры, которые могут связываться и использовать в качестве инициатора ионов металлов, различных анионов, аминокислот, углеводов и т.д. Некоторые из этих полимеров обладают механическим ответом только тогда, когда две различными химическими веществ или инициаторы присутствует, выполняя таким образом, как логические ворота. Такие полимеры хемомеханические перспективны также для [[адресной доставки лекарств | целевая доставка лекарств ]]. Полимеры, содержащие легкие поглощающие элементы могут служить в качестве фотохимический управляемых искусственных мышц.
Приложения
Искусственные технологии мышца имеют широкие возможности применения в биомиметических машинах, в том числе роботов, промышленные приводов и экзоскелетов . EAP на основе искусственных мышц предлагают сочетание легкого веса, низким энергопотреблением, устойчивость и маневренность для передвижения и манипуляции. Будущие устройства EAP будут иметь применение в аэрокосмической, автомобильной промышленности, медицине, робототехнике, механизмы артикуляции, развлечения, анимация, игрушки, одежда, тактильных и тактильных интерфейсов, контроля уровня шума, датчиков, генераторов и интеллектуальных структур.
Пневматические искусственные мышцы также обеспечивают большую гибкость, управляемость и легкость по сравнению с обычными пневматическими цилиндрами. Большинство приложений PAM предполагают использование McKibben подобных мышц. Тепловые исполнительные механизмы, такие как СМА имеют различную военную, медицинскую, безопасность и роботизированных приложений, и может, кроме того, можно использовать для получения энергии за счет механических изменений формы.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Еще не прошло и десяти лет со времени открытия экзотических структур - углеродных нанотрубок, но они продолжают удивлять исследователей. Углеродные нанотрубки - тончайшие листочки хорошо известного графита, свернутые в трубку диаметром от 0,7 до 1,5-2,0 нм и длиной до нескольких микрон (см. "Наука и жизнь" № 11, 1993 г.).
Высокая прочность углерод-углеродной связи, малые размеры, сетчатое строение оболочек нанотрубок (они состоят из связанных шестиугольников) и отсутствие дефектов обеспечивают их необычные механические свойства: они в 10-12 раз прочнее и в 6 раз легче стали. Нить диаметром 1 мм из таких нанотрубок могла бы выдержать 20-тонный груз, в сотни миллиардов раз больший ее собственного веса. А диаметр одиночной нанотрубки столь мал (в 50 тысяч раз меньше диаметра человеческого волоса), что нанокабель от Земли до Луны можно было бы намотать на катушку размером с маковое зернышко.
Все это вызывает немалый энтузиазм материаловедов, которые недавно вспомнили, например, даже о фантастической идее американского писателя Артура Кларка связать подъемником с Землей космический корабль на геостационарной орбите.
Необычные электронные свойства углеродных нанотрубок вот-вот найдут применение в первых дисплеях с полевыми эмиттерами и в туннельных микроскопах, они вызвали большую серию работ в попытках создать молекулярный транзистор, размер которого был бы на несколько порядков меньше самых миниатюрных из ныне существующих электронных приборов.
Еще одну область их использования наметило сообщение, ставшее научной сенсацией.
В феврале - марте 1999 г. в городке Кирхберг, что в Тироле (Австрия), состоялась 13-я Международная зимняя школа по электронным свойствам новых материалов. Среди довольно большого числа докладов по нанотрубкам общее внимание привлек доклад международной исследовательс кой группы сотрудников во главе с Рэем Баухманом (Ray Baughman), сотрудником компании "Эллайд Сигнел" (Allied Signal). Доклад был посвящен созданию искусственных мускулов и позднее изложен в статье, опубликованной в журнале "Сайенс" (Science, 1999. v. 284, N. 5418, p. 1340-1344, May 21).
Создать искусственные мускулы пытаются давно, и для решения этой задачи просматривались несколько путей. Можно, например, использовать пьезоэффект: изменение размеров кристалла или керамики при наложении электрического напряжения. Можно "играть" на способности слоистых веществ расширяться в направлении, перпендикулярном плоскости слоев, при внедрении между слоями химикатов. Но эти пути либо сложны, либо малоэффективны.
В группе Баухмана использовали иной принцип. Углеродные нанотрубки можно получать в виде листочков нанобумаги, в которых трубки перепутаны, переплетены друг с другом. Такую нанобумагу можно брать в руки, разрезать на полосы. Первые эксперименты были на удивление просты.
Исследователи приклеили две полоски нанобумаги к противоположным сторонам липкой ленты, присоединили к концам электроды и опустили в солевой раствор, обеспечивающий электропроводность. При включении электрической батареи, дающей напряжение в несколько вольт, обе полоски нанобумаги слегка удлинились, но связанная с отрицательным полюсом батареи удлинилась больше, и они изогнулись. Искусственный мускул (актюатор) действовал.
Конечно, такое устройство слишком примитивно, чтобы уже сегодня использовать его вместо бицепсов и трицепсов. Но уже ясно, что эта конструкция гораздо более перспективна, чем любая другая. Вместо солевого раствора предполагается применять проводящий полимер, создав легкий и прочный композитный материал.
Уже показано, что искусственные мускулы будут по меньшей мере втрое "сильнее" обычных, то есть смогут выдерживать гораздо большие нагрузки при тех же размерах. В отличие от металлов углеродные нанотрубки не разрушаются от усталости, могут работать при довольно высоких температурах. А используемые для их работы напряжение и сила тока невелики.
Искусственные мускулы со временем можно будет использовать для протезирования органов и отдельных мышц (скажем, сердечной). На их основе легко удастся сконструировать "руки" и "пальцы" роботов, работающих в космическом холоде или в 1000-градусную жару, в вакууме и в среде агрессивных газов.
Углеродные мускулы можно использовать и для производства энергии, поскольку, по словам Баухмана, эффект обратим: сгибание и разгибание полосок создают электрический потенциал. Соединенные в цепь элементы могут использовать энергию волн, приливов и отливов в электростанциях нового типа. Каждый автомобиль можно будет со временем снабдить легким устройством, которое при торможении станет подзаряжать аккумуляторы.
24 Февраля 2014Как 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 .
назадЧитать также:
06 Февраля 2014Бионическая 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 2014Киборг-сперматозоид
Группа исследователей из Университета Иллинойса разработала новый тип крошечных биогибридных машин, способных передвигаться подобно сперматозоидам.
читать 22 Января 2014Реабилитации 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 2014Полимерная 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 2013Нематода 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.
