Штучна рука з невеликим штучним м’язом
MIT/Поліна Анікеєва
Дослідники довгий час експериментували з матеріалами для створення штучні м’язи що може бути корисним у виробництві мініатюризованих медичних пристроїв, робототехніки та розумного текстилю, що реагують на зміни в навколишньому середовищі. Зараз трьом різним командам вдалося розробити перспективні прототипи. Статті, опубліковані Наука, можна знайти тут, тут і тут.
Усі три команди розробили штучні м’язи за подібним принципом: щоб звивка речовини була розтягнута так, як це робить природний м’яз. Ідею розробив Рей Богман та його колеги з Техаського університету, який виявив, що скручування такого простого матеріалу, як швейна нитка, може створити м’язоподібну структуру, яка через свої розміри може піднімати предмети до 1000 разів важчі.
Три підходи
Зараз команда Богмена розробила міцніші волокна, використовуючи настільки ж недорогі матеріали, як бамбук або шовк. Дослідники згортають матеріали в котушку і покривають їх речовиною, яка може реагувати на нагрівання або електрохімічні зміни, що може спричинити скорочення та рух м’язів, що утворюються в результаті.
Ще одна команда на чолі з Поліна Анікеєва з Массачусетського технологічного інституту (MIT) створив двостороннє полімерне волокно, яке може активуватися теплом і може піднімати більше ніж у 650 разів більше власної ваги. Окремі пучки волокна можуть піднімати ще більші навантаження, як і їх біологічні аналоги.
Дослідники стверджують, що вони можуть виробляти цей штучний м’яз у великих кількостях у масштабі до сотні метрів, з поперечними розмірами від мікронів до міліметрів. А це означає, що цю технологію можна використовувати у всьому - від медичних мікророботів до легких протезів кінцівок.
Нарешті, Джинкай Юань з Університету Бордо (Франція) та його колеги створили свої волокна графен і полімер. Команда створила неприв'язаний, високоенергетичний мікромотор, що складається з нанокомпозитних волокон з пам'яттю форми. Ці волокна скручуються між собою для накопичення механічної енергії, яка потім може виділятися при невеликій зміні температури.
Скручене волокно ПВА.
Jinkai Yuan та ін
"Модернізований контроль - це величезна проблема для робототехніки сьогодні, особливо для імплантатів та підводних транспортних засобів", - говорить Юань. "Наша концепція забезпечує новий шлях до вільної активації, управління та руху в робототехніці", - додає він.
Дослідники виготовили свої нанокомпозитні волокна пам'яті скрученої форми з полімеру полівінілового спирту (PVA) із запам'ятовуваною формою як матрицю, заповнену дисперсними тромбоцитами оксиду графена. Нанопластинки оксиду графену відіграють важливу роль у покращенні скручувальних властивостей волокна завдяки їх унікальній жорсткій 2D структурі. Це дозволяє волокну накопичувати більше механічної енергії всередині волокна перед тим, як воно руйнується.
Проблеми для вирішення
Попереду ще довгий шлях, щоб зробити штучні м’язи такими ж ефективними, як люди. В даний час волокна використовують лише близько 3% енергії, яка вкладається в штучні м’язи, а решта втрачається як тепло.
Після вирішення цієї проблеми можна сподіватися, що ці штучні м’язи можуть запропонувати дешеві та тонкі альтернативи громіздким електродвигунам, які в даний час використовуються для живлення багатьох пристроїв.
У минулому дві групи дослідників намагалися створити штучні м’язи, але різними методами. Група з Columbia Engineering виготовила синтетичний м’який м’яз за допомогою 3D-друку. А команда Гарварду за допомогою простих матеріалів створила прототип, який зменшується в міру зниження тиску.
Віктор Роман
Ця новина була спочатку опублікована в N + 1, наука, яка додає.