Sztuczne mięśnie. Sztuczne mięśnie przewyższyły siłą rzeczywiste. Bioniczna dłoń ze zmysłem dotyku

Jak zrobić sztuczne mięśnie z żyłki

Naukowcy z Uniwersytetu Teksasu w Dallas (USA) zaprezentowali syntetyczne mięśnie, które są 100 razy silniejsze od prawdziwych włókien mięśniowych o tej samej długości i masie.

Jednocześnie sama technologia produkcji okazała się zaskakująco prosta. Sztuczne mięśnie nie wymagały żadnych wyrafinowanych syntetycznych polimerów: Ray Baughman i jego współpracownicy po prostu wzięli polimerową nić, taką jak ta używana do produkcji żyłek wędkarskich lub nici syntetycznych, i skręcili ją w spiralę. Spirala ta może się skręcać i rozciągać, gdy zmienia się temperatura. Ciekawe, że można było zmienić proces techniczny tak, żeby efekt był odwrotny, czyli żeby nić zwijała się przy studzeniu i rozciągała po podgrzaniu. Zmieniając liczbę nici w wiązce, można uzyskać różne właściwości mechaniczne sztucznego „włókna mięśniowego”.

Włókna syntetyczne wykonane z sześciu pasm o różnej grubości:
górna wykonana jest z nici o grubości 2,45 mm, dolna wykonana jest z nici o grubości 150 mikronów.
(Zdjęcie autorstwa autorów pracy.)

A te cechy są naprawdę imponujące. Po pierwsze, w porównaniu do zwykłe mięśnie, które mogą skurczyć się jedynie o 20% swojej długości, sztuczne mogą skurczyć się o połowę. Takie mięśnie oczywiście również nie wiedzą, jak szybko się męczyć. Jeśli połączysz ze sobą sto włókien elementarnych, taki mięsień może unieść ponad 700 kg. W stosunku do swojej wagi włókna mogą wytworzyć 7,1 koni mechanicznych. na kg, co według badaczy odpowiada mocy silnika odrzutowego.

Silnikiem dla nich, jak już wspomniano, jest różnica temperatur, którą można uzyskać w dowolny sposób - czy to za pomocą reakcji chemicznej, czy za pomocą prądu (lub nawet podgrzewania tych włókien oddechem). Jeśli chodzi o same włókna, naukowcy szczególnie podkreślają wyjątkową prostotę ich produkcji: mówią, że każdy student zrobi to w zwykłym laboratorium, najważniejsze jest przestrzeganie warunki fizyczne, w którym odkształcisz nić. Geniusz autorów pomysłu polega na tym, że udało im się odgadnąć ogromny potencjał fizyczny drzemiący w tej trywialnej strukturze polimeru.

Właściwie prostota tych mięśni prawdopodobnie utrudnia od razu docenienie rewolucyjnego charakteru wynalazku. Choć badacze oczywiście pokazali możliwe jego zastosowanie: dostosowali się do okna, zamykali je i otwierali w zależności od temperatury otoczenia. Ponadto udało się stworzyć tkaninę z włókien, których porowatość ponownie zmieniała się w zależności od temperatury, i stąd łatwo wyobrazić sobie „inteligentne” ubrania, które będą wentylować w upale i oszczędzać ciepło w zimnie .

Ale oczywiście lwia część fantazji na temat sztucznych mięśni przypada robotyce. Oczywiste jest, że takie włókna mogą stać się bezpośrednim analogiem ludzkich mięśni w robotach, za pomocą których mogą nawet zmieniać wyraz twarzy. Syntetyczne mięśnie przydadzą się zarówno przy podnoszeniu ciężarów, jak i podczas wykonywania delikatnych zabiegów chirurgicznych (jeśli pomyślimy o urządzeniach medycznych przyszłości).

W przeszłości podejmowano próby wytwarzania takich włókien z nanorurek węglowych. Według Raya Boughmana, który przeszedł ten etap, eksperymenty z nanorurkami zakończyły się sukcesem, ale po pierwsze takie „nanomięśnie” są bardzo trudne w produkcji i niezwykle drogie, a po drugie zostały zmniejszone jedynie o 10% swojej długości, czyli , były gorsze nawet od zwykłych żywych mięśni, nie wspominając o nowo odkrytych włóknach polimerowych.

Na razie mamy tylko jedno pytanie, które dotyczy wydajności i ekonomii: ile ciepła (a co za tym idzie energii elektrycznej lub chemicznej) trzeba wydać na ich mechaniczną pracę? Autorzy przyznają, że jak wszystkie sztuczne mięśnie w ogóle, ich włókna pod tym względem nie są szczególnie wydajne, jednak są pewne nadzieje, że w tym przypadku uda się dość szybko zoptymalizować koszty energii.

Na podstawie Uniwersytetu Teksasu w Dallas: Naukowcy tworzą potężne mięśnie z żyłki i nici.

Przeczytaj także:

Bioniczna dłoń ze zmysłem dotyku

Dziewięć lat temu Dane Dennis Sorensen musiał mieć swoje lewa ręka. Oczywiście nie zastanawiał się ani chwili, gdy zaproponowano mu przetestowanie bionicznej protezy, która pozwala mu nie tylko wykonywać ruchy, ale także dotykać przedmiotów.

Plemnik cyborga

Zespół naukowców z Uniwersytetu Illinois opracował nowy typ maleńkich maszyn biohybrydowych, które mogą poruszać się jak plemniki.

Sztuczne mięśnie pomogą w rehabilitacji sparaliżowanej nogi

Niemal naturalną mobilność sparaliżowanej stopy można uzyskać stosując wkładkę ortopedyczną wykonaną z elastycznego, elastycznego materiału imitującego budowę mięśni i więzadeł nogi.

Ogniwo polimerowe imituje żywe

Holenderscy badacze wyprodukowali sztuczną komórkę eukariotyczną, która zawiera sztuczne organelle i podlega reakcjom biochemicznym podobnym do tych zachodzących w komórkach organizmów żywych.

Nicień open source

Autorzy projektu OpenWorm, którego celem jest stworzenie dokładnej komputerowej kopii glisty C.elegans, ogłosili znaczący sukces w modelowaniu tego nicienia. Kod źródłowy programu jest opublikowany w domenie publicznej.

Nowoczesne roboty potrafią naprawdę wiele. Ale jednocześnie dalekie są od ludzkiej łatwości i wdzięku ruchów. A powodem tego są niedoskonałe sztuczne mięśnie. Naukowcy z wielu krajów próbują rozwiązać ten problem. Artykuł zostanie poświęcony krótki przegląd ich niesamowite wynalazki.

Mięśnie polimerowe od singapurskich naukowców

Krok w kierunku od niedawna uczynili wynalazcy z National Today, ciężkie androidy poruszają się dzięki działaniu układów hydraulicznych. Istotną wadą tego ostatniego jest niska prędkość. Sztuczne mięśnie robotów, zaprezentowane przez singapurskich naukowców, pozwalają cyborgom nie tylko podnosić przedmioty 80 razy cięższe od ich własnej wagi, ale także robić to tak szybko, jak człowiek.

Innowacyjne rozwiązanie, które rozciąga się pięciokrotnie, pomaga robotom „ominąć” nawet mrówki, o których wiadomo, że są w stanie przenosić przedmioty 20 razy cięższe od ich własnej masy ciała. Mięśnie polimerowe mają następujące zalety:

• elastyczność;
• niesamowita siła;
• elastyczność;
• możliwość zmiany kształtu w ciągu kilku sekund;
• zdolność do zamiany energii kinetycznej na energię elektryczną.

Naukowcy jednak na tym nie poprzestaną – planują stworzyć sztuczne mięśnie, które pozwolą robotowi podnieść ładunek 500 razy cięższy od niego samego!

Odkrycie z Harvardu - mięśnie z elektrod i elastomeru

Wynalazcy pracujący w Szkole Nauk Stosowanych i Inżynierii na Uniwersytecie Harvarda wprowadzili zupełnie nowe sztuczne mięśnie dla tak zwanych „miękkich” robotów. Według naukowców ich pomysł, składający się z miękkiego elastomeru i elektrod zawierających nanorurki węglowe, nie jest gorszej jakości od ludzkich mięśni!

Wszystkie istniejące dziś roboty, jak już wspomniano, opierają się na napędach, których mechanizmem jest hydraulika lub pneumatyka. Takie systemy działają przy użyciu sprężonego powietrza lub reakcji substancje chemiczne. Uniemożliwia to skonstruowanie robota tak miękkiego i szybkiego jak człowiek. Naukowcy z Harvardu wyeliminowali tę wadę, tworząc zupełnie nową koncepcję sztucznych mięśni dla robotów.

Nowy „mięsień” cyborga to wielowarstwowa struktura, w której utworzone w laboratorium Clarka elektrody nanorurkowe kontrolują cholewkę i niższe warstwy elastyczne elastomery, będące pomysłem naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego. Takie mięśnie są idealne zarówno dla „miękkich” androidów, jak i instrumentów laparoskopowych w chirurgii.

Naukowcy z Harvardu nie poprzestali na tym cudownym wynalazku. Jednym z ich najnowszych osiągnięć jest płaszczka-biorobot. Jego składnikami są komórki mięśnia sercowego szczura, złoto i silikon.

Wynalazek grupy Bauchmana: kolejny rodzaj sztucznego mięśnia opartego na nanorurkach węglowych

Już w 1999 roku w australijskim mieście Kirchberg na 13. spotkaniu Międzynarodowej Szkoły Zimowej poświęconej właściwościom elektronicznym innowacyjnych materiałów naukowiec Ray Bauchman, pracujący w firmie Allied Signal i kierujący międzynarodową grupą badawczą, wygłosił prezentację. Jego przesłanie dotyczyło tworzenia sztucznych mięśni.

Twórcy pod przewodnictwem Raya Bauchmana zdołali zaprezentować go w postaci arkuszy nanopapieru. Rury w tym wynalazku były ze sobą splecione i wymieszane na wszelkie możliwe sposoby. Sam nanopapier swoim wyglądem przypominał zwykły papier – można go było trzymać w dłoniach i ciąć na paski i kawałki.

Eksperyment grupy był pozornie bardzo prosty – naukowcy przyczepili kawałki nanopapieru po różnych stronach taśmy klejącej i zanurzyli tę strukturę w przewodzącym roztworze soli. Po włączeniu akumulatora niskonapięciowego oba nanopaski uległy wydłużeniu, szczególnie ten podłączony do bieguna ujemnego akumulatora elektrycznego; następnie papier się wygiął. Model sztucznego mięśnia działał.

Sam Bauchman wierzy, że jego wynalazek po wysokiej jakości modernizacji znacząco odmieni robotykę, ponieważ takie mięśnie węglowe podczas zginania/rozciągania tworzą potencjał elektryczny – wytwarzają energię. Ponadto takie mięśnie są trzy razy silniejsze od mięśni ludzkich, mogą funkcjonować w skrajnie wysokich i niskich temperaturach, wykorzystując do swojej pracy niski prąd i napięcie. Całkiem możliwe jest zastosowanie go do protetyki ludzkich mięśni.

Uniwersytet w Teksasie: sztuczne mięśnie wykonane z żyłki i nici do szycia

Jednym z najbardziej uderzających jest praca grupy naukowej z Uniwersytetu Teksasu z siedzibą w Dallas. Udało jej się uzyskać model sztucznych mięśni, których siła i moc dorównują silnikowi odrzutowemu - 7,1 KM/kg! Takie mięśnie są setki razy silniejsze i bardziej produktywne niż ludzkie. Ale najbardziej zadziwiające jest to, że zostały zbudowane z prymitywnych materiałów - wytrzymałej polimerowej żyłki wędkarskiej i nici do szycia.

Odżywianiem takiego mięśnia jest różnica temperatur. Zapewnia to nić szwalna pokryta cienką warstwą metalu. Jednak w przyszłości robotyczne mięśnie mogą być zasilane zmianami temperatury w ich otoczeniu. Nawiasem mówiąc, tę właściwość można wykorzystać w przypadku odzieży dostosowującej się do pogody i innych podobnych urządzeń.

Jeśli skręcisz polimer w jednym kierunku, gwałtownie się skurczy po podgrzaniu i szybko rozciągnie po schłodzeniu, a jeśli zostanie skręcony w drugim kierunku, będzie zupełnie odwrotnie. Tak prosta konstrukcja może obracać np. duży wirnik z prędkością 10 tys. obrotów/min. Zaletą takich sztucznych mięśni wykonanych z żyłki jest to, że są w stanie skurczyć się do 50% swojej pierwotnej długości (mięśnie ludzkie to tylko 20%). Dodatkowo wyróżnia je niesamowita wytrzymałość – te mięśnie nie „męczą się” nawet po milionie powtórzeń akcji!

Od Teksasu po Amur

Odkrycie naukowców z Dallas zainspirowało wielu naukowców z całego świata. Jednak tylko jednemu robotykowi udało się z powodzeniem powtórzyć swoje doświadczenie – Aleksander Nikołajewicz Semochkin, kierownik laboratorium Technologie informacyjne w BSPU.

Początkowo wynalazca cierpliwie czekał na nowe artykuły w „Science” dotyczące masowego wdrożenia wynalazku swoich amerykańskich kolegów. Ponieważ tak się nie stało, naukowiec z Amuru postanowił wraz ze swoimi podobnie myślącymi ludźmi powtórzyć wspaniały eksperyment i stworzyć sztuczne mięśnie własnymi rękami z drutu miedzianego i żyłki. Ale niestety kopia okazała się nieopłacalna.

Nauka i życie // Ilustracje

Nauka i życie // Ilustracje

Nie minęło nawet dziesięć lat od odkrycia egzotycznych struktur – nanorurek węglowych, a one wciąż zadziwiają badaczy. Nanorurki węglowe to najcieńsze płatki znanego grafitu, zwinięte w rurkę o średnicy od 0,7 do 1,5-2,0 nm i długości do kilku mikronów (patrz „Science and Life” nr 11, 1993).

Wysoka wytrzymałość wiązania węgiel-węgiel, małe rozmiary, siateczkowa struktura powłok nanorurek (składają się z połączonych sześciokątów) oraz brak defektów zapewniają ich niezwykłe właściwości mechaniczne: są 10-12 razy mocniejsze i 6 razy lżejsze od stali. Nitka o średnicy 1 mm z takich nanorurek wytrzymywała obciążenie 20 ton, czyli setki miliardów razy większe od własnej masy. A średnica pojedynczej nanorurki jest tak mała (50 tysięcy razy mniejsza od średnicy ludzkiego włosa), że nanocząsteczkę z Ziemi na Księżyc można by nawinąć na szpulę wielkości ziarenka maku.

Wszystko to budzi niemały entuzjazm wśród materiałoznawców, którzy niedawno przypomnieli sobie choćby fantastyczny pomysł amerykańskiego pisarza Arthura C. Clarke’a, aby połączyć statek kosmiczny na orbicie geostacjonarnej z windą na Ziemię.

Niezwykłe właściwości elektroniczne nanorurek węglowych wkrótce znajdą zastosowanie w pierwszych wyświetlaczach z emiterem polowym i mikroskopach tunelowych, co skłoniło do podjęcia wielu prac mających na celu stworzenie tranzystora molekularnego, który byłby o rząd wielkości mniejszy od najmniejszego istniejących urządzeń elektronicznych.

Kolejny obszar ich zastosowania został nakreślony w przesłaniu, które stało się sensacją naukową.

W lutym - marcu 1999 roku w miejscowości Kirchberg w Tyrolu (Austria) odbyła się XIII Międzynarodowa Szkoła Zimowa poświęcona właściwościom elektronicznym nowych materiałów. Wśród dość dużej liczby doniesień na temat nanorurek powszechną uwagę przykuł raport międzynarodowej grupy badawczej kierowanej przez Raya Baughmana, pracownika firmy Allied Signal. Raport poświęcony tworzeniu sztucznych mięśni został później zaprezentowany w artykule opublikowanym w czasopiśmie Science (Science, 1999. t. 284, N. 5418, s. 1340-1344, 21 maja).

Od dawna próbują stworzyć sztuczne mięśnie i zbadano kilka sposobów rozwiązania tego problemu. Można na przykład wykorzystać efekt piezoelektryczny: zmianę wielkości kryształu lub ceramiki pod wpływem napięcia elektrycznego. Można „bawić się” zdolnością substancji warstwowych do rozszerzania się w kierunku prostopadłym do płaszczyzny warstw, gdy są wprowadzane pomiędzy warstwy substancji chemicznych. Ale te sposoby są albo skomplikowane, albo nieskuteczne.

Grupa Bauchmana stosowała inną zasadę. Nanorurki węglowe można otrzymać w postaci arkuszy nanopapieru, w których rurki są splątane i splecione ze sobą. Taki nanopapier można zebrać i pociąć na paski. Pierwsze eksperymenty były zaskakująco proste.

Naukowcy przykleili dwa paski nanopapieru do przeciwległych stron taśmy samoprzylepnej, na końcach przymocowali elektrody i zanurzyli je w roztworze soli fizjologicznej zapewniającym przewodność elektryczną. Po włączeniu akumulatora wytwarzającego napięcie kilku woltów oba paski nanopapieru nieznacznie się wydłużyły, natomiast ten podłączony do ujemnego bieguna akumulatora wydłużył się jeszcze bardziej i wygięły. Zadziałał sztuczny mięsień (siłownik).

Oczywiście takie urządzenie jest zbyt prymitywne, aby można je było dziś stosować zamiast bicepsa i tricepsa. Ale już jest jasne, że ten projekt jest znacznie bardziej obiecujący niż jakikolwiek inny. Zamiast roztworu soli proponuje się zastosowanie polimeru przewodzącego, tworząc lekki i trwały materiał kompozytowy.

Wykazano już, że sztuczne mięśnie będą co najmniej trzykrotnie „mocniejsze” od normalnych, czyli przy tych samych wymiarach będą w stanie wytrzymać znacznie większe obciążenia. W przeciwieństwie do metali nanorurki węglowe nie rozkładają się pod wpływem zmęczenia i mogą pracować w dość wysokich temperaturach. A napięcie i prąd wykorzystywane do ich działania są niewielkie.

Sztuczne mięśnie można ostatecznie wykorzystać do protez narządów i poszczególnych mięśni (powiedzmy, serca). Na ich podstawie łatwo będzie skonstruować „ręce” i „palce” robotów pracujących w kosmicznym chłodzie lub w 1000-stopniowym upale, w próżni i w środowisku agresywnych gazów.

Mięśnie węglowe można również wykorzystać do produkcji energii, ponieważ według Bauchmana efekt jest odwracalny: zginanie i rozciąganie pasków wytwarza potencjał elektryczny. Elementy połączone w łańcuch mogą wykorzystywać energię fal, przypływów i odpływów w elektrowni nowego typu. Docelowo każdy samochód mógłby zostać wyposażony w lekkie urządzenie, które ładowałoby akumulatory podczas hamowania.

Istnieją błyskotliwe projekty technologiczne, o których „słysze się”, takie jak samochody autonomiczne czy energia termojądrowa, które prawdopodobnie poważnie zmienią nasze życie. Ale zdarzają się też idee dość niepozorne na pierwszy rzut oka, których konsekwencje w realizacji mogą prowadzić do wręcz bardziej radykalnych zmian w społeczeństwie. Życie codzienne. Najlepszym przykładem jest „tkanka mięśniowa”, która pojawiła się w literaturze science fiction dopiero wtedy, gdy w laboratoriach trwały już pełne prace nad stworzeniem metalowych i polimerowych sztucznych mięśni, m.in. na potrzeby protez ludzkich.

Nowoczesna technologia wykorzystuje głównie dwa skuteczne sposoby wykonywanie pracy mechanicznej: termodynamicznej i elektromagnetycznej. Pierwsza opiera się na wykorzystaniu energii sprężonego gazu, tak jak w silnikach spalinowych, turbinach parowych i broń palna. Drugi dotyczy pól magnetycznych wytwarzanych przez prąd elektryczny, czyli działania silników elektrycznych i elektromagnesów. Jednak w naturze żywej stosuje się zupełnie inne podejście do uzyskania ruchu mechanicznego - kontrolowanej zmiany kształtu obiektów. Dokładnie tak działają mięśnie ludzi i innych żywych stworzeń. Kiedy dociera impuls nerwowy, uruchamiają się w nich reakcje chemiczne, które prowadzą do skurczu lub odwrotnie, rozciągnięcia włókien mięśniowych.

Zalety takiego „naturalnego” napędu wynikają z faktu, że materiał zmienia się jako całość. Oznacza to, że nie ma żadnych części poruszających się względem siebie, a zatem nie ma części trących i zużywających się. Ponadto zachowana jest integralność organizmu (a dokładniej jego spójność geometryczna). Ruch zachodzi na poziomie molekularnym lub, jak to się obecnie modnie mówi, nanopoziomie, na skutek lekkiego zbliżania się lub oddalania od siebie atomów substancji. To praktycznie odciąża mięśnie od bezwładności, która jest tak charakterystyczna dla wszystkich robotów z silnikami elektrycznymi. Ale oczywiście popęd mięśniowy ma również swoje wady. Jeśli mówimy o żywych mięśniach, jest to ciągłe zużycie składników chemicznych, które muszą być dostarczane do każdej komórki tkanka mięśniowa. Takie mięśnie mogą służyć jedynie jako część złożonego żywego organizmu. Kolejna wada związana jest ze stopniowym starzeniem się materiału. W żywym organizmie komórki ulegają okresowej odnowie, jednak w monolitycznym urządzeniu technicznym jest to niezwykle trudne do zapewnienia. Poszukując sztucznych mięśni, naukowcy starają się zachować zalety systemów napędowych zmiennokształtnych, unikając jednocześnie ich wad.

Pierwsze badania nad sztucznymi mięśniami były bezpośrednio związane z efektem pamięci kształtu, który występuje w niektórych stopach. Został odkryty w 1932 roku przez szwedzkiego fizyka Arne Olandera przy użyciu stopu złota i kadmu, ale przez prawie 30 lat nie cieszył się dużym zainteresowaniem. W 1961 roku przypadkowo odkryto pamięć kształtu w stopie niklowo-tytanowym, produkcie, z którego można dowolnie odkształcać, ale po podgrzaniu przywraca swój pierwotny kształt. Niecałe dwa lata minęły od pojawienia się w USA produktu komercyjnego – stopu nitinolu, którego nazwa wzięła się od jego składu i miejsca opracowania (NITINOL NiTi Naval Ordnance Laboratories).

Pamięć kształtu zapewniona jest dzięki temu, że sieć krystaliczna nitinolu może znajdować się w dwóch stabilnych stanach (fazach) - martenzytycznym i austenitycznym. W temperaturach powyżej pewnej temperatury krytycznej cały stop znajduje się w fazie austenitycznej z sześcienną siecią krystaliczną. Po ochłodzeniu stop przechodzi w fazę martenzytyczną, w której na skutek zmienionych proporcji geometrycznych komórek sieci krystalicznej staje się plastyczny. Przy zastosowaniu niewielkiej siły mechanicznej produkt nitinolowy w stanie martenzytycznym można nadać niemal dowolnej konfiguracji; będzie on utrzymywany do czasu nagrzania przedmiotu do temperatury krytycznej. W tym momencie faza martenzytyczna staje się niekorzystna energetycznie, a metal przechodzi w fazę austenityczną, przywracając swój poprzedni kształt.

Tak to wygląda w najprostszym przypadku. W praktyce istnieje oczywiście szereg ograniczeń dotyczących odkształceń. Najważniejsze jest to, że nie powinny one przekraczać 78%, w przeciwnym razie formy nie będzie można już całkowicie przywrócić. Późniejszy rozwój doprowadził do powstania różnych wariantów stopów nitinolu. Są na przykład tacy, którzy pamiętają dwie formy na raz: jedna odpowiada wysokim temperaturom, druga niskim. W temperaturach pośrednich materiał można dowolnie odkształcać, ale po podgrzaniu lub schłodzeniu zapamięta jeden ze swoich dwóch kształtów.

Obecnie znanych jest kilkanaście stopów z pamięcią kształtu, opartych na różnych pierwiastkach. Jednak rodzina stopów nitinolowych pozostaje najpowszechniejszą. Efekt pamięci kształtu w stopach na bazie NiTi jest wyraźnie wyraźny, a zakres temperatur można regulować z dobrą dokładnością od kilku do kilkudziesięciu stopni, wprowadzając do stopu różne zanieczyszczenia. Ponadto nitinol jest niedrogi, łatwy w obróbce, odporny na korozję i ma dobre właściwości fizyczne i mechaniczne: na przykład jego wytrzymałość na rozciąganie jest tylko 2x4 razy mniejsza niż stali.

Być może główna wada takich stopów przez długi czas występował niewielki margines cykliczności. Liczba kontrolowanych odkształceń nie przekraczała kilku tysięcy iteracji, po czym stop utracił swoje właściwości.

W mgnieniu oka

NanoMuscle był w stanie rozwiązać ten problem. Zimą 2003 roku na międzynarodowych targach zabawek w Nowym Jorku zaprezentowała niezwykłą lalkę Baby Bright Eyes. Zabawka bardzo realistycznie odwzorowała mimikę oczu małego dziecka, co przy pomocy tradycyjnie stosowanych w zabawkarstwie silników mikroelektrycznych jest prawie niemożliwe – są one zbyt bezwładne. Jednocześnie koszt lalki (w masowej produkcji) oszacowano na jedyne 50 dolarów, co wyglądało absolutnie fantastycznie.

Tworząc prototypową lalkę, inżynierom NanoMuscle udało się pokonać ograniczenia jazdy na rowerze, wykorzystując nanocząsteczki tytanu i niklu, a także opracowując oprogramowanie, który steruje stopem w bardziej delikatny sposób, dzięki czemu cykl życia takich nanomięśni przekracza pięć milionów iteracji. Nanocząstki połączono w cienkie włókna o średnicy około 50 mikronów i utkano z nich kilkucentymetrowy drut, który mógł zmienić długość o 12 x 13% (kolejny rekord).

Szacunek budzi także moc urządzenia, zwanego NanoMuscle Actuator. Przy tej samej masie nanomięśnie wytwarzają tysiąc razy więcej mocy niż ludzkie mięśnie i 4000 razy więcej mocy niż silnik elektryczny, a działają w zaledwie 0,1 sekundy. Ale co szczególnie ważne, dzięki kompozytowej konstrukcji NanoMuscle Actuator nie przeskakuje z jednego stanu w drugi, ale może płynnie poruszać się z zadaną prędkością.

Nanomięśnie używane do poruszania oczami lalki były kontrolowane przez 8-bitowy mikroprocesor i miały napięcie zasilania 1,8 wolta. Jego szacunkowa cena do produkcji przemysłowej nie przekracza 50 centów. Później wprowadzono całą rodzinę tego rodzaju zabawek z dużą liczbą ruchomych elementów. Wkrótce firma venture NanoMuscle została wchłonięta przez szybko rozwijającą się chińską korporację Johnson Electric, która specjalizuje się w produkcji napędów elektrycznych do szerokiej gamy sprzętu, od odtwarzaczy DVD po lusterka samochodowe.

Mniej więcej w tym samym czasie w Uniwersytet Teksasu nanotechnolog Ray Baughman wymyślił, jak sprawić, by metalowe mięśnie działały bez prądu, bezpośrednio z paliwa chemicznego, co może być przydatne w systemach o dużych wymaganiach dotyczących autonomii. Pokrył kabel wykonany ze stopu z pamięcią kształtu katalizatorem platynowym i zaczął go przedmuchać mieszaniną par metanolu, wodoru i tlenu. W środowisku gazowym, ze względu na niskie stężenie, reakcja praktycznie nie zachodzi, natomiast na powierzchni pokrytej katalizatorem wydzieliło się dość dużo ciepła. Wzrost temperatury wymusił zmianę długości kabla, po czym ustał dopływ metanolu, a po pewnym czasie kabel ostygł i powrócił do pierwotnej długości. Może to nie wydawać się świetnym pomysłem, ale nie jest konieczne, aby metalowe mięśnie bezpośrednio napędzały kończyny lub koła robota. Jeżeli takich mięśni jest dużo i pracują one naprzemiennie, to napęd okazuje się w miarę stabilny, a w połączeniu posłuży także jako ogniwo paliwowe generujące energię dla elektroniki pokładowej.

Polimery elektroaktywne

Ale metale z pamięcią kształtu nie są jedynym kierunkiem w tworzeniu sztucznych mięśni. Dr Joseph Bar-Cohen z Laboratorium Napędów Odrzutowych NASA opracowuje alternatywną technologię zwaną polimerem elektroaktywnym (EAP) i otrzymał już 18 patentów i dwa medale NASA w tej dziedzinie. Na początku 2001 roku w jego laboratorium znajdowały się dwa rodzaje sztucznych mięśni.

Jedną z nich są taśmy polimerowe wykonane z węgla, tlenu i fluoru. Pod wpływem prądu elektrycznego rozkład ładunków na powierzchni takiej taśmy zmienia się i ulega ona wygięciu. Laboratorium doktora Bar-Cohena pokazało już dziennikarzom prosty manipulator złożony z czterech wstążek, który pozwala chwycić niewielki przedmiot i podnieść go z ziemi (w przyszłości ma on pochodzić z powierzchni innej planety). . Oczywistym jest, że złożoność i różnorodność możliwych ruchów takiego chwytu zależy jedynie od konfiguracji taśm polimerowych. Na nagraniu wideo ruch takich polimerowych mięśni wygląda zupełnie nietypowo: zaciśnięte w imadle taśmy nagle zaczynają się wyginać w górę i w dół - początkowo powoli, jak płatki kwiatu, ale potem szybciej i częściej, i teraz nie są już nawet widoczne – jak skrzydła komara w locie.

Urządzenia drugiego typu różnią się geometrią: płytki EAP zwijane są w tuby niczym liście tytoniu w cygarze. Po przyłożeniu napięcia rurki ściskają i ściskają elastyczny rdzeń, powodując jego rozciąganie. NASA ma nadzieję, że takie urządzenia uda się zastosować w nowej generacji łazików. Przykładowo jeden z projektów proponuje, zamiast wysyłania jednego lub dwóch ciężkich pojazdów kołowych, rozrzucić wokół miejsca lądowania setki piłek wraz z czujnikami, adapterami sieci bezprzewodowej i siłownikami opartymi na sztucznych mięśniach drugiego typu, co umożliwi piłkom przeskakiwanie z miejsca do miejsca. Dzięki temu możliwe będzie szybkie i niedrogie zbadanie całego obszaru jednocześnie. Nawiasem mówiąc, nowoczesne modele EAP zapewniają już czas aktywacji krótszy niż 0,1 sekundy, podwójne wydłużenie popychacza i siłę 1000 razy większą niż jego ziemska masa - w zupełności wystarczający do skoków na odległych planetach.

Dwa lata temu Bar-Cohen i kilku szefów konkurencyjnych laboratoriów postanowili zorganizować mały pokaz, aby spopularyzować swoje osiągnięcia - turniej siłowania się na rękę ze sztuczną ręką. Komunikat prasowy wprowadzał do wydarzenia następujące zdecydowane zdanie: „Jeśli zwycięży zautomatyzowane ramię, otworzy to drzwi do wielu nowych technologii w medycynie, wojsku, a nawet przemyśle rozrywkowym”.

Organizatorzy turnieju pozostawili ekipie telewizyjnej wybór przeciwnika, a właściwie rywala, a wybrali licealistkę Pannę Felsen, która przy swojej szkole w San Diego założyła klub robotyki. Musiała rywalizować z trzema sztucznymi ramionami, według zasad zbliżonych do klasycznych. Ich przestrzeganie było monitorowane przez dwóch zawodowych zapaśników na rękę. Spektakl okazał się wielkim sukcesem, ale trochę ochłodził niektórych pasjonatów: żadna ręka nie była w stanie przeciwstawić się niewątpliwie pięknej, ale delikatnej dziewczynie.

Jej pierwszą rywalką był manipulator amerykańskiej firmy Environmental Robots Incorporated wyposażony w dwa sztuczne mięśnie. Walka z robotem trwała 24 sekundy. Drugi i trzeci przeciwnik wytrzymali odpowiednio tylko 4 i 3 sekundy. Turniej ujawnił, oprócz problemów czysto energetycznych, które zawsze można rozwiązać poprzez zwiększenie liczby płyt polimerowych, także inne poważne wady urządzeń. Na przykład trzecie ramię, stworzone w Virginia Tech, do aktywacji polimeru wykorzystywało procesy chemiczne, a nie impulsy elektryczne. Według jego twórców takie rozwiązanie jest znacznie bardziej naturalne dla przyszłego wdrożenia sztucznych mięśni. Jednak podczas pokazu w pełni ujawniono powolność mechanizmu aktywacji chemicznej: sztuczny mięsień zaczął pracować zaledwie kilka sekund po rozpoczęciu walki, więc manipulator został pokonany jeszcze zanim osiągnął tryb pracy.

Dzieciństwo mistrza

Jednym z głównych konkurentów grupy Bar-Cohen jest firma Artificial Muscle, która niezwykle poważnie podchodzi do swojej misji: „Wprowadzić na rynek dyski półprzewodnikowe, które robią dla silników i pomp to samo, co półprzewodniki zrobiły dla lamp próżniowych”. Artificial Muscle wykorzystuje te same elektroaktywne polimery, co dyski „solid-state”, jednak aby odróżnić się od konkurencji, używają innego skrótu EPAM (Electroactive Polymer Artificial Muscle). Według twórców sztuczne mięśnie w przyszłości przewyższą wszystkie inne napędy mechaniczne - elektromagnetyczne, pneumatyczne, hydrauliczne i piezoelektryczne - pod każdym względem: kosztem, hałasem, prędkością, wagą i gęstością mocy.

Ale to będzie w przyszłości, ale na razie jednowarstwowy polimerowy sztuczny mięsień EPAM jest w stanie wytworzyć siłę zaledwie 0,5 Newtona (waga 50-gramowego ciężarka). To prawda, że ​​​​dodając dziesiątki takich warstw, można uzyskać dość znaczący efekt. Urządzenia tego typu są już oferowane producentom aparatów fotograficznych np. jako napędy do mechanizmu autofokusa.

Sztuczne mięśnie rozwijają się dynamicznie, jednak wiele wyników kryje się już za zasłoną tajemnic handlowych, dlatego trudno dziś mówić o tym, które wskaźniki są rekordowe. Ale na przykład deklarowana przez Artificial Muscle zdolność do wytrzymania do 17 tysięcy cykli uciskowo-rozprężających na sekundę ma duże szanse stać się rekordem prędkości w świecie sztucznych mięśni. Oraz zdolność materiału polimerowego do 3,8-krotnej zmiany długości, osiągnięta w firmowym laboratorium. Oczywiście taka „kpina” z substancji nie może trwać długo, a jeśli od polimerowego mięśnia wymaga się niezawodnego działania miliony razy, to nie powinien on zmieniać swojej długości o więcej niż 15%. Przynajmniej na obecnym poziomie rozwoju tej branży.

Pancerz elektromięśniowy

Ale szlachetnych zainteresowań naukowych specjalistów takich jak dr Joseph Bar-Cohen nie można porównywać z wysokością środków finansowych i możliwościami technicznymi laboratoriów, które nie wahają się pracować dla wojska, takich jak BAE Systems. Firma ta realizuje zamówienia wojskowe dla niemal wszystkich rozwiniętych technicznie krajów świata, dlatego też informacje o jej rozwoju pojawiają się dość często, pomimo zachowania tajemnicy.

Tym razem do wycieku doszło za pośrednictwem małej brytyjskiej firmy HP White Laboratory, która zajmuje się głównie badaniem wytrzymałości systemów ochronnych: pancerzy, szyb kuloodpornych, kamizelek kuloodpornych. Zgodnie z brytyjskim prawem informacje o działalności firm wojskowych i medycznych nie mogą być całkowicie ukrywane za tajemnicą patentów, dlatego ich raporty mogą pośrednio śledzić rozwój nowych osiągnięć w sferze militarnej. Tym razem badacze zaproponowali wykorzystanie zasady EAP do stworzenia „pancerza wielonaprężeniowego”, czyli wielowarstwowej struktury składającej się z dużej liczby wstęg polimerowych przeplatanych mikrocząstkami trwałej ceramiki i namagnetyzowanymi cząstkami zorientowanymi w określony sposób. Pocisk trafiający w pancerz powoduje początkowe odkształcenie i prowadzi do gwałtownego przemieszczenia namagnesowanych cząstek. W wyniku indukcji pojawia się krótki impuls elektryczny, który powoduje ściskanie taśm polimerowych, gwałtownie zwiększając wytrzymałość pancerza, ponieważ cząstki osadzonej ceramiki pancernej mają określoną sylwetkę, która pozwala im przylegać do ciągłej powłoki po ściśnięciu.

Najważniejszą zaletą tego systemu jest to, że maksymalna „gęstość” pancerza kształtuje się dokładnie w miejscu uderzenia pocisku, stopniowo zmniejszając się po bokach. Dzięki temu energia kinetyczna pocisku rozkłada się równomiernie na niemal całej powierzchni kamizelki kuloodpornej. Pancerz okazał się bardziej obszerny, ale znacznie lżejszy niż jego nowoczesne odpowiedniki. Jeśli wcześniej seria z karabinu automatycznego w kamizelkę kuloodporną nie zabiła człowieka, ale gwarantowała obezwładnienie go na co najmniej kilkadziesiąt minut, to według wstępnych obliczeń nowy system ochronny nie pozostawi nawet siniaków na ciele żołnierza ciało.

Do chwili obecnej sztuczne mięśnie wykorzystuje się głównie w określonych obszarach, które tradycyjnie cieszą się silnym wsparciem rządowym. Badania cywilne, a nawet medyczne pozostają zauważalnie w tyle za badaniami wojskowymi. Twórcy sztucznych mięśni pilnie strzegą tajemnicy ich produkcji. Przykładowo Artificial Muscle nie sprzedaje nikomu nawet swoich taśm polimerowych, a jedynie gotowe dyski na ich bazie. W pewnym momencie sytuacja okazała się na tyle skandaliczna, że ​​grupa Bar-Cohena po prostu opublikowała na swojej stronie internetowej kilka prostych przepisów na wytwarzanie polimerów elektroaktywnych, aby w prace mogła włączyć się większa liczba niezależnych badaczy. Pierwsze ogólnodostępne urządzenia wykorzystujące podstawowe możliwości sztucznych mięśni pojawią się w najbliższej dekadzie i mają wszelkie szanse stać się rewolucyjną innowacją, która otworzy drogę do powstania niedrogich, wielofunkcyjnych, samobieżnych robotów domowych. I nie tylko roboty. Według dr Bar-Cohena rozwój tej technologii bardzo przypomina rozkwit wynalazczy przełomu XIX i XX wieku: materiały są łatwo dostępne, eksperymenty i badania może wykonywać każdy student z czystą głową, a koszty pieniężne są minimalne.

Pozostaje więc uzbroić się w cierpliwość i po dziesięciu latach gruntownie wstrząsnąć zawartością półki z książkami science fiction, aby pozbyć się książek beznadziejnie przestarzałych pod względem technicznym.

Amerykańscy naukowcy, czyli Uniwersytet w Dallas (w stanie Teksas), profesor Ray Baughman i jego grupa naukowa, nauczyli się „tkać” sztuczne włókna mięśniowe, wzięty ze zwykłej nylonowej żyłki - na pół tą samą zwykłą nicią.

Technologia opatentowana przez Raya Baughmana jest zaskakująco prosta, ale o tym później.

Sztuczne mięśnie polimerowe uzyskane przez Teksańczyków są mocne i tanie. Naukowcy planują wykorzystać te nowe sztuczne włókna mięśniowe do dwóch głównych celów:

• podczas budowy zrobotyzowanych podnośników ładunkowych,
• oraz do tworzenia egzoszkieletów do szerokiej gamy zastosowań.

Sztuczne włókna mięśniowe Raya Baughmana z Uniwersytetu w Dallas są pod każdym względem znacznie lepsze od naturalnych, ludzkich.

Zatem sztuczny mięsień wykonany z żyłki może skurczyć się nawet o 50% swojej pierwotnej długości.

Ludzki mięsień może skurczyć się tylko o 20 procent swojej pierwotnej długości...

(Pamiętajcie, że pracę wykonuje kurczący się mięsień, stąd dbałość o ten szczegół).

Według przybliżonych obliczeń sztuczne mięśnie są o dwa rzędy wielkości skuteczniejsze w podnoszeniu ciężarów i ogólnie w wytwarzaniu energii mechanicznej. Amerykanie wierzą również, że stworzyli mięsień „o mocy silnika odrzutowego”, ponieważ na kilogram masy taki mięsień rozwija moc siedmiu i więcej koni mechanicznych.

Sztuczny mięsień: Wszystko genialne jest proste

Nić polimerowa, z której wytwarza się żyłkę dla rybaków, jest skręcona w spiralę. Pod wpływem temperatury spirala żyłki skręca się (kurczy) lub rozwija (rozluźnia).

Po podgrzaniu sztuczny mięsień rozciąga się, a po ochłodzeniu zwija się. I wzajemnie.

Właściwie niesamowitą rzeczą w wynalazku Raya Baughmana jest to, że jest odwrotnie.

W sztucznym mięśniu wplecionych jest sześć nitek polimerowych, różniących się między sobą grubością.

Udany eksperyment naukowców pokazał, że nanorurki węglowe (z których wcześniej próbowano zrobić sztuczne mięśnie) to ślepa uliczka dla rozwoju tej technologii. Ponadto hydraulika i pneumatyka od razu wchodzą w dziedzinę technologii „ubiegłego wieku”. Robot ze sztucznymi mięśniami wykonanymi z żyłki pracuje cicho, tanio i wydajnie.

Ponadto zdaniem naukowców wykonanie sztucznego mięśnia jest tak proste, że nawet uczeń może sobie z nim poradzić w ramach laboratorium fizycznego. Wystarczy mieć przy sobie dwa spinacze, wiertarkę i... samą żyłkę!

Witamy w erze cyborgów-siłowników?..