Предложен простой способ создания искусственных мышц
 Пример искусственных мышц, созданных из дешевых в производстве полимерных волокон. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Материалы, которые расширяются или сжимаются в ответ на ту или иную форму внешней стимуляции, полезны для робототехники, где они применяются для создания «приводов» или искусственных мышечных волокон. Кроме того, они могут использоваться и на меньших масштабах, к примеру, при разработке датчиков для устройств, сфабрикованных на едином чипе.
На сегодняшний день существует великое множество подобных материалов, в частности, материалы с памятью формы – металлы или полимеры, которые имеют два стабильных состояния и могут внезапно переключаться из одного в другое (допустим, из короткой формы в более длинную) при определенной температуре. Еще несколько интересных примеров – это электроактивные полимеры, изменяющие свою длину в ответ на внешнее электрическое поле, а также волокна из углеродных нанотрубок, допускающих электрохимическую стимуляцию. Однако все эти материалы обладают своими недостатками. Характеристики металлов с памятью формы могут ухудшаться после ограниченного числа циклов, показывая различные варианты гистерезиса (отсутствия изменения фазы при заданной температуре). Полимеры, управляемые электрическим полем, сложны в эксплуатации, поскольку для значительного изменения их формы требуются слишком большие вариации поля. Кроме того, все эти материалы, а особенно волокна на основе углеродных нанотрубок, достаточно узкоспециализированы и дороги в производстве.
В своей последней работе группа исследователей из University of Texas (США), а также их коллеги из Канады, Южной Кореи, Турции, Китая и Австралии, предложила иную тактику создания искусственных мышц.
В отличие от большинства материалов, полимерные волокна, как правило, сокращаются при нагревании, т.к. энтропия системы возрастает, полимерные цепи становятся менее упорядоченными. Масштаб эффекта – примерно 4% для повышения температуры на 250 градусов по шкале Кельвина. Но более важно то, что при повышении неупорядоченности, увеличивается толщина волокна. Группа ученых разработала простой способ применения этого радиального расширения для усиления или, наоборот, подавления теплового сжатия полимера.
Создавая свои волокна, исследователи использовали высокоупорядоченные линейные полимерные цепи, которые неоднократно сворачивались в спирали. Когда волокно нагревается и становится толще, появляется крутящий момент, который стремиться «раскрутить» спираль.
Создавая «искусственные мышцы», исследователи наматывали волокна на сердечник. Они показали, что при наматывании волокон в том же направлении, в каком они были изначально скручены, крутящий момент, возникающий в результате нагрева, позволяет сократить общую длину «мышцы» на 49%. Еще более удивительно, что при наматывании волокна в противоположную сторону, нагревание позволяет увеличить длину «мышцы» до 69%. Измеренные параметры выгодно отличают созданные структуры от мышц человека, ведь последние расширяться и сжиматься не более чем на 20% (хотя при этом естественные мышцы более эффективно используют энергию).
Основные механические свойства, использованные при создании подобных искусственных мышц (радиальное тепловое расширение в сочетании с осевым сжатием) встречаются у многих полимеров, которые можно приобрести в хозяйственном магазине. Так для получения высокопрочных мышц вполне можно использовать и полиэтилен, использующийся в производстве лески, и нейлон, применяющийся для швейных нитей.
Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Nature.
Также по теме:
- Предложена конструкция искусственной мышцы из нанотрубок
- Кофеин способен оказывать влияние на силу и выносливость мышечных волокон
- Сердце млекопитающих может восстанавливаться благодаря имеющимся в нём стволовым клеткам
- «Электронные усы» из углеродных нанотрубок помогут улучшить кожу роботов
- Ученые создали гибкую матрицу для получения изображений на основе углеродных нанотрубок
Источники: