Исследовательская группа из Массачусетского технологического института совсем недавно разработала новую, простую и экономически эффективную методику производства некоего рода искусственных мышц. В основе этой технологии лежат весьма широко доступные и недорогие нейлоновые волокна в виде лески. Ученые адаптировали существующий принцип использования закрученных спиралей из нейлона для имитации линейных движений мышц, дополнив его инновационным методом формирования и нагрева волокон. Ранее было доказано, что подобные конструкции в определенных размерах и весе способны к расширению и сжатию, при этом превосходя по энергоемкости естественные мышцы. Однако воспроизведение сложных изгибающих движений, характерных для человеческих пальцев и конечностей, представляло собой существенную трудность. По утверждению авторов разработки, до настоящего времени никому не удавалось решить эту задачу с использованием простых и доступных технологий.
Существуют материалы, которые можно использовать для воспроизводства изгибающихся движений в биомедицинских устройствах или тактильных дисплеях. Но чаще всего эти материалы «экзотические» и дорогие, их сложно производить. Например, нити углеродных нанотрубок – долговечный материал, способный выдержать более миллиона циклов сжатия, но все еще слишком дорогой для широкого применения. Сплавы с эффектом памяти формы обеспечивают прочное натяжение, но выдерживают всего 1000 циклов.
В новой системе используется дешевый материал и простой процесс производства. Нейлон выдерживает достаточное количество циклов благодаря способу формирования нейлоновых волокон. Некоторые материалы из полимерных волокон, в том числе нейлон, обладают необычным свойством: при нагревании они уменьшаются в длину, но расширяются в диаметре. Некоторые ученые использовали это свойство чтобы создать устройства линейного привода. Но чтобы превратить линейные поступательные движения в изгибы, необходимы устройства вроде механического блока или намоточного барабана. Это прибавляет сложности и увеличивает расходы. Команда МТИ собиралась использовать непосредственно силу движения без дополнительных механических деталей.
У линейных приводов, изготовленных из полимерных материалов, есть один существенный недостаток: чтобы вызвать сокращение, материал нужно охладить. Скорость охлаждения может быть ограничивающим фактором. Однако ученые поняли, что этот недостаток может стать преимуществом. Выборочный нагрев одной стороны волокна заставляет его сокращаться быстрее, чем тепло доходит до противоположной стороны. Таким образом нить может отклоняться в сторону. Как отмечает кандидат наук Сейед Мирвакили, ведущий автор исследования, нужно было добиться сочетания двух свойств: высокого напряжения (натяжения сокращения) и низкой теплопроводности.
Чтобы заставить эту систему работать эффективно в качестве искусственных мышц, сечения волокна нужно тщательно обработать. Чтобы изменить поперечное сечение с круглого до прямоугольного или квадратного, команда как бы «расплющивала» их. Затем ученые нагревали одну сторону, что заставляло волокно сгибаться. Изменение направления нагревания привело к тому, что волокно исполняло более сложные движения. В лабораторных тестах команда использовала этот метод нагревания, чтобы заставить волокна выполнять круговые движения и «восьмерки». По словам ученых, волокна могут двигаться и по более сложным траекториям.
В качестве источника тепла подойдет электрический резистивный нагреватель, химические реакции или лазерный луч, который испускается на нити. В некоторых экспериментах исследователи наносили на волокна специальную электропроводную краску и удерживали на одном месте с помощью связующих смол. Под напряжением нагревалась только часть волокна, покрытая краской. Нагреваясь с одной стороны, волокно могло отклоняться в сторону. Если нагреть его с противоположной, нить возвращается в исходное положение.
Исследования показали, что материал выдерживает не менее 100 тысяч циклов изгибов и может сокращаться и расслабляться до 17 раз в секунду. По мнению Яна Хантера, одного из авторов исследования, такие волокна подойдут для производства одежды, которая будет сокращаться, чтобы приспособиться к контурам тела человека. Тогда производители могли бы сократить размерную линейку, повышая комфорт и упрощая подгонку. Из гнущихся волокон можно делать обувь, которая будет сидеть точно по ноге, а ее жесткость и форма будет с каждым шагом регулироваться.
Систему можно использовать для производства самонастраивающихся катетеров и других биомедицинских устройств. В долгосрочной перспективе можно создать механические системы, вроде внешних панелей для автомобилей. Панели из волокон отрегулируют аэродинамическую форму, чтобы адаптироваться к изменениям в скорости и ветре. Или их можно применить в качестве автоматических “систем слежения” для солнечных батарей. Они бы использовали избыток тепла, чтобы контролировать направленность батарей в сторону Солнца.
Научная работа опубликована в журнале Advanced Materials 23 ноября 2016 года
DOI: 10.1002/adma.201604734
Российский опыт
Искусственные мышцы из рыболовной лески и медной проволоки — в это трудно поверить, но это возможно. Воодушевившись разработками американских коллег из Далласа, амурский ученый — популяризатор робототехники — Александр Семочкин изготовил искусственные мышцы из копеечных подручных материалов. Для их производства ученый придумал и собственноручно собрал специальную машину — скручиватель искусственных мышц. Свое изобретение он продемонстрировал на научной конференции, прошедшей в августе в США, чем произвел впечатление на ученое сообщество, увлеченное робототехникой и автоматизацией.
Американские технологии с русским акцентом
О том, что из нейлона можно делать искусственные мышцы, руководитель лаборатории информационных технологий БГПУ Александр Семочкин узнал два года назад. Тогда ему на глаза попалась статья в журнале Science группы ученых из Далласа, которые сумели сделать мышцы из нейлоновых волокон, покрытых серебром.
— В это трудно было поверить! Люди давно бьются над простым механизмом, который мог бы двигать предметы. Сейчас роботы в основном стоятся на сервоприводах, электрических моторах, на пневмо- или гидроприводах, но они все требуют каких-то дополнительных систем. Например, для пневмопривода нужен мощный компрессор, который будет качать воздух. Технически это сложные устройства, но на них сейчас делают роботов, и при этом очень эффективно. Это доступно, но дорого. А эти ребята из Далласа говорят, что можно из дешевой рыболовной лески делать мышцы! — рассказывает Александр Николаевич.
Любитель роботов из Благовещенска после этой публикации еще год ждал новой статьи в научном журнале: вдруг эти мышцы уже стали массово выпускать и продавать. «Ведь тогда мы сможем начать делать роботов на других принципах — не на моторах, а на таких мышцах. Это же круто! Они будут более человечные», — говорит ученый из БГПУ.
Скручиватель искусственных мышц, изобретенный Александром Семочкиным и напечатанный на 3D-принтере
Поняв, что продолжения не будет, он решил сделать искусственные мышцы самостоятельно. Вместе с коллегами из педуниверситета вручную по далласской технологии они скрутили несколько мышц. Только вместо нейлоновых волокон с серебром взяли простую рыболовную леску и медную проволоку. Однако первые изделия оказались нежизнеспособны.
Эти опыты амурские робототехники едва не забросили. Но случай снова заставил Александра Семочкина поверить в искусственные мышцы. В прошлом году он попал на конференцию по робототехнике в «Сколкове», где познакомился с руководителем фирмы «Нейроботикс» из Зеленограда. Как оказалось, изобретатели из Подмосковья тоже делают мышцы из лески и они работают.
«Правда, эта технология очень сырая, пока непригодная для создания мышц. Но вспомните Фарадея! Когда он сделал свой первый электромотор, у него проволочка крутилась в луже ртути, — это тоже все было слабо и бесперспективно. А сейчас посмотрите: уже ездят беспилотные автомобили на таких двигателях. Мне кажется, что у таких мышц есть перспективы, — уверен Александр Семочкин. — Я приехал воодушевленный из «Сколкова». И где-то за месяц-полтора сделал прибор для скручивания мышц. Прибор позволяет получать повторяемый результат, чтобы мышцы были одинаковыми. Это важно для их изучения».
Как это работает
Для создания искусственной мышцы длиной примерно 5 сантиметров нужно сантиметров 20 лески и несколько метров медной проволоки. Около 10 минут прибор, изобретенный Александром Семочкиным и напечатанный на 3D-принтере, равномерно наматывает проволоку вокруг лески. Затем еще несколько минут машинка туго скручивает леску. Через какое-то время она начинает сворачиваться в спираль. Последний штрих — получившуюся мышцу помещают на 30 минут в печь, которая постепенно нагревается до 180 градусов.
Искусственные мышцы перед заключительным этапом – отправкой в печь
— Основная идея в том, что мы используем самые дешевые компоненты. И из них можно получить результат не хуже, чем из нейлона с серебром. Мне кажется, что наши должны быть долговечнее. По крайней мере, в моих экспериментах они долго работают. Пока я, конечно, целенаправленно не испытывал, сколько циклов они могут выдержать. Не входило пока в планы, — признается изобретатель.
В действие искусственные мышцы приводятся электрическим током. Источник подсоединяется к медной проволоке. Под небольшим напряжением медь нагревается и равномерно передает тепло нейлоновой леске. В зависимости от вида мышцы — а скручиватель способен выполнять три их разных вида — сокращаются или растягиваются.
Маленькие мышцы можно соединять последовательно — они будут длиннее и, соответственно, сокращаться на большее расстояние, а можно соединять параллельно — в этом случае мышца станет сильнее. Две тонкие мышцы, соединенные параллельно, могут поднять килограмм на несколько миллиметров.
Сейчас ученые бьются над тем, как быстро заставить мышцы возвращаться в исходное положение. Для этого проволоку необходимо охладить. Пока что самый продуктивный способ — делать это водой. В ближайшее время Александр Семочкин с коллегами продолжат работу над мышцами. Когда они сумеют заставить их работать быстро, первым обладателем искусственных мышц станет университетский антропоморфный робот Искандерус.
От роботов до медицины
— На конференции, которая прошла в августе в Техасе, я показывал именно этот прибор — скручиватель искусственных мышц. Моя цель — привлечь внимание людей к тому, что такие мышцы можно делать и у них есть перспектива, — признается Александр Семочкин.
Он планирует написать статью с подробным описанием, как самостоятельно изготовить прибор, и опубликовать ее на специализированной интернет-площадке в открытом доступе. Сейчас же Александр Николаевич делится своими разработками на канале YouTube, демонстрируя работу мышц.
Чем больше людей будет знать об искусственных мышцах, чем больше людей займется их изучением, тем больше идей появится, как их можно использовать.
— Самый интересный способ — использовать в создании человекоподобных и подобных животным роботов. Но можно и в банальных случаях. Например, я пытаюсь сделать клапан: вода течет, подается напряжение, мышца сокращается, клапан открывается и вода выливается. Выключили ток, клапан закрылся.
Искусственные мышцы уже применили в медицине — сделали манипулятор для хирургов, выполняющих лапаро- и эндоскопические операции. Кроме того, изобретение опробовали в лаборатории Disney — здесь собрали руку.
