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.

Но есть и совершенно неброские на 1-ый взор идеи, последствия внедрения которых могут привести к чуть ли менее конструктивным переменам в ежедневной жизни. Самый наилучший пример - «мускульная ткань», показавшаяся в умопомрачительной литературе только тогда, когда в лабораториях уже полным ходом шли работы по созданию железных и полимерных искусственных мускул, в том числе и для человечьих протезов.

В современной технике в главном употребляются два действенных метода совершения механической работы: термодинамический и электрический. 1-ый основан на использовании энергии сжатого газа, как в движках внутреннего сгорания, паровых турбинах и огнестрельном оружии. Во 2-м задействованы магнитные поля, создаваемые электронными токами, - так работают электромоторы и электромагниты. Но в живой природе для получения механического движения употребляется совсем другой подход - управляемое изменение формы объектов. Конкретно так работают мускулы человека и других живых созданий. При поступлении нервного импульса в их запускаются хим реакции, которые приводят к сокращению либо, напротив, к растяжению мышечных волокон.

Достоинства такового «природного» привода связаны с тем, что материал изменяется как целое. Это означает, что в нем нет передвигающихся друг относительно друга, а как следует, трущихся и изнашивающихся частей. Не считая того, сохраняется целостность организма (либо, вернее сказать, его геометрическая связность). Движение появляется на молекулярном, либо, как стильно сейчас гласить, наноуровне за счет маленького сближения либо удаления друг от друга атомов вещества. Это фактически устраняет мускулы от инерционности, которая так свойственна для всех ботов с электродвигателями. Но, естественно, у мышечного привода есть и недочеты. Если гласить о живых мышцах - это неизменный расход хим компонент, которыми нужно пичкать каждую клеточку мышечной ткани. Такие мускулы могут служить исключительно в качестве части сложного живого организма. Другой недочет связан с постепенным старением материала. В живом организме клеточки временами обновляются, а вот в цельном техническом устройстве схожее обеспечить очень трудно. В поисках искусственных мускул ученые стремятся сохранить достоинства, характерные движителям на базе конфигурации формы, и в то же время избежать их недочетов.

Школьница Панна Фелсен соревнуется с искусственной рукою, сделанной в Технологическом институте штата Виргиния

Память формы

1-ые исследования в области искусственных мускул были впрямую связаны с эффектом памяти формы, который присущ неким сплавам. Он был открыт в 1932 году шведским физиком Арни Оландером (Arne Olander) на примере сплава золота с кадмием, но практически 30 лет не завлекал особенного внимания. В 1961 году память формы совсем случаем нашли у никель-титанового сплава, изделие из которого можно произвольно деформировать, но при нагреве оно восстанавливает свою первоначальную форму. Не прошло и 2-ух лет, как в США появился коммерческий продукт - сплав, нитинол, получивший заглавие по собственному составу и месту разработки (NITINOL - NiTi Naval Ordnance Laboratories).

Память формы обеспечивается за счет того, что кристаллическая решетка нитинола может находиться в 2-ух устойчивых состояниях (фазах) - мартенситном и аустенитном. При температуре выше некой критичной весь сплав находится в аустенитной фазе с кубической кристаллической решеткой. При охлаждении сплав перебегает в мартенситную фазу, в какой благодаря изменившимся геометрическим пропорциям ячеек кристаллической решетки становится пластичным. Если приложить маленькое механическое усилие, изделию из нитинола в мартенситном состоянии можно придать практически всякую конфигурацию - она будет сохраняться до того времени, пока предмет не нагреют до критичной температуры. В этот момент мартенситная фаза становится энергетически нерентабельной, и металл перебегает в аустенитную фазу, восстанавливая прежнюю форму.

Так это смотрится в простом случае. На практике, естественно, на деформации есть ряд ограничений. Главное - они не должны превосходить 7-8%, по другому форма уже не сумеет быть стопроцентно восстановлена. Следующие разработки позволили сделать разные варианты нитиноловых сплавов. К примеру, есть такие, что помнят сходу две формы - одна соответствует высочайшим температурам, другая - низким. А при промежных температурах материал можно произвольно деформировать, но он вспомнит одну из 2-ух собственных форм при нагреве либо охлаждении.

На сегодня понятно уже более 10-ка сплавов с памятью формы на базе различных частей. Но семейство нитиноловых сплавов остается самым всераспространенным. Эффект памяти формы в сплавах на базе NiTi верно выражен, при этом спектр температур можно с неплохой точностью регулировать от нескольких градусов до 10-ов, вводя в сплав разные примеси. Не считая того, нитинол недорог, комфортен в обработке, устойчив к коррозии и обладает хорошими физико-механическими чертами: к примеру, его предел прочности всего в 2-4 раза ниже, чем у стали.

Пожалуй, главным недочетом схожих сплавов длительное время был маленький припас цикличности. Количество управляемых деформаций не превышало пары тыщ итераций, после этого сплав терял свои характеристики.

В мгновение ока

Разрешить эту делему смогла компания NanoMuscle. Зимой 2003 года на интернациональной ярмарке игрушек в Нью-Йорке ею была представлена необыкновенная куколка - Baby Bright Eyes. Игрушка очень близко к реальности копировала мимику глаз малеханького малыша, чего фактически нереально достигнуть с помощью обычно используемых в игрушечной промышленности микроэлектродвигателей - они очень инерционны. При всем этом цена куколки (при серийном производстве) оценивалась всего в 50 баксов, что смотрелось совершенно уж фантастично.

При разработке макета куколки инженерам компании NanoMuscle удалось преодолеть ограничения цикличности, используя микрочастицы из титана и никеля, также разработав программное обеспечение, управляющее сплавом в более щадящем режиме, потому актуальный цикл таких наномускулов превосходит 5 миллионов итераций. Микрочастицы соединялись в тонкие волокна поперечником около 50 микрон, а из их сплетался провод длиной несколько см, который мог поменять длину на 12-13% (очередной рекорд).

Вызывает почтение и сила устройства, получившего заглавие NanoMuscle Actuator. При равной массе наномускул развивает мощность в тыщу раз больше, чем людские мускулы, и в 4 000 раз больше, чем электродвигатель, и при всем этом скорость его срабатывания составляет всего 0,1 секунды. Но что в особенности принципиально, благодаря составной конструкции NanoMuscle Actuator не перебегает скачком из 1-го состояния в другое, а может двигаться плавненько с данной скоростью.

Наномускул, применяемый для приведения в движение глаз куколки, управлялся 8-битным процессором и имел напряжение питания 1,8 вольта. Его расчетная стоимость при промышленном производстве не превосходит 50 центов. Позже было представлено целое семейство игрушек такового рода с огромным числом передвигающихся частей. А скоро венчурная компания NanoMuscle была поглощена стремительно возрастающей китайской компанией Johnson Electric, которая практикуется на выпуске электронных приводов для самой разной техники - от DVD-проигрывателей до авто зеркал.

Приблизительно в это время в Техасском институте нанотехнолог Рэй Бахман (Ray Baughman) выдумал, как вынудить работать железные мускулы совсем без электричества - впрямую от хим горючего, что может понадобиться в системах с высочайшими требованиями к автономности. Трос из сплава с памятью формы он покрыл платиновым катализатором и стал обдувать консистенцией паров метанола, водорода и кислорода. В газовой среде из-за низкой концентрации реакция фактически не идет, а вот на покрытой катализатором поверхности выделялось достаточно много тепла. Увеличение температуры принуждало трос изменять длину, после этого поступление метанола прекращалось, и через некое время трос остывал и ворачивался к начальной длине. Может показаться, что это не очень успешная мысль, но ведь совсем не непременно, чтоб задействованные железные мускулы конкретно приводили в движение конечности либо колеса бота. Если таких мускул много и они работают попеременно, то привод оказывается полностью размеренным, 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 разработке искусственных мускул. Доктор Йозеф Бар-Коэн (Yoseph Bar-Cohen) из Лаборатории реактивного движения NASA занимается созданием другой 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 повытрепываться 2-мя типами искусственных мускулов.

Какой-то из них - это полимерные ленты из углерода, кислорода и фтора. При подаче электронного тока рассредотачивание зарядов на поверхности таковой ленты изменяется, и она изгибается. Лаборатория доктора Бар-Коэна уже показывала журналистам обычный манипулятор из 4 лент, который позволяет обхватить маленький предмет и поднять его с земли (в дальнейшем подразумевается - с поверхности другой планетки). Разумеется, что сложность и обилие вероятных движений такового захвата зависят только от конфигурации полимерных лент. На видеозаписи движение схожих полимерных мускул смотрится совсем особенно: зажатые в тиски ленты вдруг начинают гнуться ввысь и вниз - поначалу медлительно, как лепестки цветка, но позже все резвее, все почаще, и вот их уже даже не видно - как крыльев комара в полете.

Устройства второго типа отличаются геометрией: пластинки EAP свернуты в трубочки наподобие листьев табака в сигаре. При подаче напряжения трубочки сжимаются и сдавливают эластичную сердцевину, заставляя ее растягиваться. В NASA уповают, что такие устройства могут быть применены в новеньком поколении планетоходов. К примеру, в одном из проектов предлагается заместо отправки одного-двух томных колесных аппаратов разбросать вокруг точки посадки сотки шариков с датчиками, адаптерами беспроводной сети и приводами на базе искусственных мускул второго типа, которые позволят шарикам перепрыгивать с места на место. Это даст возможность стремительно и дешево исследовать сходу целую местность. 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 - полностью довольно для прыжков по дальним планеткам.

Игрушка с подвижными очами, которые приводятся в действие нитиноловыми мускулами с памятью формы, разработанными компанией NanoMuscle

Поединок с роботом

Два года вспять Бар-Коэн и несколько управляющих конкурирующих лабораторий отважились на маленькое шоу для популяризации собственных разработок - турнир по армрестлингу с искусственной рукою. В пресс-релизе событие предварялось таковой решительной фразой: «Если автоматическая рука одолеет, то она откроет двери для многих новых технологий в медицине, военном деле и даже промышленности развлечений».

Выбор конкурента, а поточнее соперницы, организаторы турнира предоставили телевизионщикам, и те предпочли старшеклассницу Панну Фелсен (Panna Felsen), которая основала в собственной школе в Сан-Диего клуб робототехники. Ей предстояло побороться с 3-мя искусственными руками по правилам, приближенным к традиционным. За их соблюдением наблюдали двое проф борцов-армрестлеров. Шоу удалось на славу, но оно малость остудило некие жаркие головы: ни одна рука не выстояла против непременно прекрасной, но хрупкой девицы.

Первым ее конкурентом стал манипулятор от американской компании Environmental Robots Incorporated с 2-мя искусственными мускулами. Поединок с роботом продлился 24 секунды. 2-ой и 3-ий конкуренты выдержали всего 4 и 3 секунды соответственно. Турнир выявил не считая чисто силовых заморочек, которые всегда можно решить наращиванием числа полимерных пластинок, и другие суровые недочеты аппаратов. К примеру, 3-я рука, сделанная в Политехническом институте штата Виргиния, использовала для активации полимера не электронные импульсы, а хим процессы. По воззрению ее разработчиков, такое решение намного более естественно для будущей реализации искусственных мускул. Но в процессе шоу полностью проявилась медлительность хим механизма активации: искусственная мускула начала работать только спустя несколько секунд после начала поединка, так что манипулятор потерпел поражение еще до того момента, как вышел на рабочий режим.

Детство чемпиона

Один из суровых соперников группы Бар-Коэна - компания Artificial Muscle, очень суровым образом понимающая свою цель: «Вывести на рынок твердотельные приводы, которые сделают с моторами и насосами то же, что полупроводники сделали с электрическими лампами». В качестве «твердотельных» приводов в Artificial Muscle занимаются все теми же электроактивными полимерами, но, чтоб отличаться от соперников, употребляют другую аббревиатуру - EPAM (Electroactive Polymer Artificial Muscle). По воззрению разработчиков, искусственные мускулы в дальнейшем затмят все другие механические приводы - электрические, пневматические, гидравлические и пьезоэлектрические - по всем характеристикам: цены, шуму, скорости, весу и удельной мощности.

Но то в дальнейшем, а пока однослойная полимерная искусственная мускула EPAM способна развивать усилие всего 0,5 ньютона (вес 50-граммовой гири). Правда, складывая 10-ки таких слоев, можно получить достаточно значимый эффект. Такие устройства уже на данный момент предлагаются, к примеру, производителям фотоаппаратов в качестве приводов для механизма автофокусировки.

Искусственные мускулы стремительно развиваются, но многие результаты уже укрыты за заавесью коммерческой потаенны, потому тяжело гласить о том, какие характеристики являются на сей день рекордными. Но, к примеру, способность выдерживать до 17 тыщ циклов сжатия-растяжения за секунду, заявленная Artificial Muscle, имеет высочайшие шансы оказаться рекордом быстродействия в мире искусственных мускул. Так же как и возможность полимерного материала изменять свою длину в 3,8 раза, достигнутая в лаборатории компании. Естественно, длительно такое «издевательство» над веществом длиться не может, и если требуется, чтоб полимерная мускула накрепко срабатывала миллионы раз, она не должна поменять свою длину более чем на 15%. По последней мере, при современном уровне развития этой отрасли.

Электромускульная броня

Но великодушные научные интересы профессионалов вроде доктора Йозефа Бар-Коэна не идут ни в какое сопоставление с объемами финансирования и техническими способностями лабораторий, которые не гнушаются работой на военных, вроде BAE Systems. Эта компания делает военные заказы фактически для всех на техническом уровне развитых стран мира, и потому информация о ее разработках возникает довольно нередко, невзирая на режим секретности.

Сейчас утечка произошла через маленькую британскую компанию H. P. White Laboratory, которая занимается в главном испытаниями на крепкость защитных систем: брони, пуленепробиваемых стекол, бронежилетов. По английским законам, информация о деятельности военных и мед компаний не может быть стопроцентно спрятана за секретностью патентов, потому по их отчетам можно косвенно проследить за развитием новых разработок в военной сфере. Сейчас исследователи предложили использовать принцип EAP для сотворения «брони со множественными напряжениями», которая представляет собой многослойную структуру из огромного числа полимерных лент с вкраплением наночастиц крепкой керамики и спецефическим образом нацеленных намагниченных частиц. Пуля, которая попадает в броню, вызывает исходную деформацию и приводит к резкому смещению намагниченных частиц. За счет индукции появляется маленький электронный импульс, заставляющий полимерные ленты сжиматься, резко повышая крепкость брони, так как частички инкрустированной бронекерамики имеют определенный силуэт, который позволяет им при сжатии сцепляться в сплошное покрытие.

Самое главное достоинство этой системы состоит в том, что наибольшая «плотность» брони появляется как раз в точке попадания пули, равномерно уменьшаясь по сторонам. В итоге кинетическая энергия пули умеренно распределяется практически по всей площади бронежилета. Броня вышла хоть и объемнее, но намного легче современных аналогов. Если ранее очередь в бронежилет из автоматической винтовки не убивала человека, но гарантированно выводила его из строя минимум на 10-ки минут, то, по подготовительным расчетам, новенькая защитная система не оставит даже гематом на теле бойца.

К истинному времени искусственные мышцы употребляются в главном в специфичных областях, обычно имеющих сильную муниципальную поддержку. Штатские и даже мед исследования приметно отстают от военных. Разработчики искусственных мускул кропотливо охраняют секреты их производства. К примеру, Artificial Muscle даже никому не реализует свои полимерные ленты - только готовые приводы на их базе. В некий момент положение оказалось настолько возмутительным, что группа Бар-Коэна просто взяла и опубликовала на собственном веб-сайте несколько нехитрых рецептов производства электроактивных полимеров, чтоб к работе могло подключиться больше независящих исследователей. 1-ые общедоступные устройства, использующие главные способности искусственных мускул, появятся уже в наиблежайшее десятилетие, и они имеют все шансы стать той революционной новацией, которая откроет дорогу к созданию дешевых функциональных самодвижущихся бытовых ботов. Ну и не только лишь ботов. По признанию доктора Бар-Коэна, разработка этой технологии очень припоминает изобретательский бум конца XIX - начала XX века: материалы вседоступны, опыты и исследования может поставить хоть какой студент со светлой головой, а валютные издержки малы.

Так что осталось запастись терпением и через десяток лет хорошо перетряхнуть содержимое книжной полки с научной фантастикой, чтоб избавиться от безвыходно устаревших с технической точки зрения книжек.

24 Февраля 2014

Как 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 .

назад

Читать также:

06 Февраля 2014

Бионическая 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 2014

Киборг-сперматозоид

Группа исследователей из Университета Иллинойса разработала новый тип крошечных биогибридных машин, способных передвигаться подобно сперматозоидам.

читать 22 Января 2014

Реабилитации 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 2014

Полимерная 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 2013

Нематода 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.

Один из вариантов искусственных мышц можно увидеть в верхней части фотографии (две трубочки). Они поднимают автомобильную покрышку весом 22 кг. Фото: Массачусетский технологический институт

Искусственные «мышцы» претендуют на роль безопасных и мощных приводов для множества различных устройств: от обычных машин до имплантируемой электроники и робототехники. Но часто конструкция и производство таких «мышц» слишком сложны и дороги, что ограничивает их использование. Группа учёных из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета разработали предельно простую конструкцию биосовместимого привода стоимостью менее доллара , при этом достаточно мощного для столь примитивного устройства.

Приводы можно изготавливать из разных материалов и разного размера, используя опубликованный дизайн в стиле оригами. Они работают в воздухе, под водой, в вакууме.

Базовая концепция нового устройства включает в себя только сжимаемый каркас, внешнюю оболочку («кожу») и наполнитель, коим может быть любой флюидный материал, например, воздух или вода.

Эксперименты показали, что подобные приводы способны сжиматься до 10% своей максимальной длины, они выдерживают нагрузку до 600 кПа, а максимальная удельная мощность превышает 2 киловатта на килограмм. Это примерно соответствует или даже превышает удельную мощность человеческих мышц.

Дизайн, процесс производства и получившиеся многомасштабные приводы

Работа искусственных мышц, а также дешёвый процесс их производства показан на иллюстрации вверху.

Легенда

(А) Миниатюрные линейные приводы с применением зигзагообразных оригами-структур из полиэфирэфиркетона (PEEK) в качестве каркасов и плёнки ПВХ в качестве «кожи». Благодаря применению биосовместимых материалов такие приводы пригодны для использования в медицинских имплантатах и носимой электронике. (В) Большой мощный привод, собранный на зигзагообразном каркасе из нейлоновых печатных форм. «Кожа» сделана из нейлона с покрытием из термопластичного полиуретана. Автомобильное колесо весом 22 кг поднимается на высоту 20 см за 30 секунд (видео). (С) Принцип работы привода. Сокращение мышц происходит, в основном, за счёт силы натяжения «кожи». Эта сила создаётся разницей давления между внутренней и внешней флюидной средой. Удаление флюидного материала из привода временно увеличивает внутреннее давление. (D) Процесс производства. Стандартный привод можно быстро произвести в три простых этапа: создание каркаса, используя любой из множества способов производства; подготовка «кожи»; запечатка герметичного влагонепроницаемого слоя.

Линейные зигзагообразные приводы, изготовленные разными методами из различных материалов

В части A показан тонкий прозрачный привод, который поднимает акриловую пластину. Здесь каркас изготовлен из прозрачного полотна полиэстера толщиной 0,254 мм методом лазерной резки и ручной складки. Кожа: прозрачная плёнка ПВХ (винил) толщиной 0,102 мм. Флюидный материал: воздух.

На иллюстрации В мягкий линейный привод хорошо работает даже будучи заключённым в металлическую гайку. Каркас и кожа: силиконовая резина и термопластичный полиуретан 0,24 мм. Флюидный материал: воздух.

На иллюстрации С вакуумный растворимый привод растворяется в горячей воде при температуре около 70°С за пять минут. И каркас, и кожа изготовлены из поливинилацетата. Флюидный материал: воздух.

Наконец, на последней иллюстрации показано, что привод с водой вместо воздуха в качестве флюидного материала на стальном каркасе успешно работает под водой, в частности, передвигает 3,5-сантиметровую рыбку.

«Приводы типа искусственных мышц - это одна из самых главных задач вообще в инженерном деле, - говорит кандидат наук Роб Вуд (Rob Wood), один из четырёх авторов научной работы. - Теперь мы создали приводы с характеристиками, сходными с настоящими мышцами, так что можно представить изготовление практически любого робота для практически любой задачи».

Разработана технология создания недорогих искусственных мышц на основе жесткого каркаса, заключенного в мягкую камеру. Мышцы сокращаются за счет уменьшения в них давления, причем их можно создавать, используя разные материалы. Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences .

Инженеры, разрабатывающие роботов, нередко используют в своих изобретениях конструкции, напоминающие по функциям живых существ. Несмотря на это, для движения роботы все равно чаще всего используют электромоторы или двигатели внутреннего сгорания, соединенные со сложными механическими передачами. Некоторые исследователи придерживаются другого подхода и разрабатывают источники движения, более близкие по своему устройству к мышцам. Уже существует немало прототипов искусственных мышц, которые могут сокращаться подобно настоящим мышцам, но почти все они требуют дорогих материалов и технологических процессов, при этом эффективность многих из них все еще низка.

Исследователи под руководством Роберта Вуда (Robert Wood) из Гарвардского университета разработали простую и недорогую технологию создания эффективных искусственных мышц, которые можно создавать из большого количества разных материалов. Принципиальная схема создания таких актуаторов довольно проста. В качестве основы используется каркас заданной формы, который может складываться и раскладываться. Затем вокруг этого каркаса склеиваются или сплавляются два фрагмента пленки из полимера или другого воздухонепроницаемого и мягкого материала. Таким образом формируется мягкая камера с жестким каркасом внутри, которая подключается к источнику разницы давления.

Принцип действия искусственных мышц

Shuguang Li et al. / PNAS, 2017

Управление актуатором происходит за счет уменьшения или увеличения давления жидкости или газа внутри камеры. В результате актуатор начинает менять форму: складываться или наоборот увеличиваться в размерах, а в случае с каркасом сложной формы, совершать другие движения - например, изгибаться в определенную сторону.

Пример захватывающего устройства

Shuguang Li et al. / PNAS, 2017

С помощью такой технологии исследователи создали несколько прототипов актуаторов, и измерили их эффективность. Один из этих прототипов, представляющий собой десятисантиметровый линейный актуатор весом менее трех грамм, смог поднять груз массой более трех килограмм. Исследователи подсчитали, что пиковая мощность таких актуаторов составляет около двух киловатт на килограмм массы, что делает их мощнее настоящих скелетных мышц млекопитающих.

Ранее ученые представляли множество прототипов искусственных мышц, работающих на основе разных принципов. Некоторые также работают за счет давления, например, основную часть которой занимает полимерная пена, покрытая силиконом, а также мягкие вакуумные из множества полых ячеек. Другие используют для своей работы нагревание: таким образом работают на основе нейлоновой лески и недавно представленный , наполненный пузырьками с этанолом, который при нагревании превращается в газ и расширяется. Помимо этого недавно был представлен из множества слоев двумерного материала, который расширяется при внедрении в него сторонних ионов. Кстати, не всегда искусственные мышцы сделаны полностью из искусственных материалов. Тайваньские ученые мышцы из тонкой пленки из кожицы лука, которая сокращается под действием электричества.

Григорий Копиев