Наномышцы для протезов и роботов
По мере того, как огурец растет, его закрученные усики тянутся к опоре и обвивают ее, чтобы поднимать растение вверх. Это помогает ему получать как можно больше солнечного света. Исследователи из Массачусетского технологического института нашли способ имитировать этот механизм скручивания и вытягивания для получения сокращающихся нановолокон, которые могут использоваться в качестве искусственных мышц в производстве роботов, протезов конечностей и других механических и биомедицинских изделий.
Для создания искусственных мышц использовалось много разных методик, в том числе гидравлические системы, серводвигатели, металлы с памятью формы и полимеры, которые реагируют на раздражители. Но все они имеют недостатки, включая большой вес и долгое время ответа на команду. Исследователи пишут, что новая система на основе волокон чрезвычайно легка и может реагировать очень быстро.
Новые волокна были разработаны с использованием техники вытягивания нитей для объединения двух разнородных полимеров в прядь волокна. Ключевая роль в этом процессе принадлежит соединению двух материалов, которые имеют разные коэффициенты теплового расширения. Другими словами, они имеют разные скорости расширения при нагревании. Этот же принцип применяется в термостатах, например, с использованием биметаллической полосы в качестве способа измерения температуры. Когда полоса нагревается, материал, который должна расширяться быстрее, удерживается вторым материалом. В результате склеенный материал скручивается, изгибаясь в сторону, которая расширяется медленнее.
Источник: здесь и далее – M. Kanik et al.
Используя два разных полимера (достаточно мягкий циклический сополимер-эластомер и очень жесткий термопластичный полиэтилен), авторы получили волокно, которое при растяжении в несколько раз по сравнению с первоначальной длиной естественным образом превращается в плотную спираль, очень похожую на усики огурцов. Когда один из исследователей взял спиральное волокно в руки, тепло тела заставило его свернуться более плотно. Последующие испытания показали, что даже небольшое повышение температуры может привести к поднятию от поверхности катушки, создавая удивительно мощную тяговую силу. Понижение температуры возвращало волокно к своей первоначальной длине. Группа продемонстрировала, что процесс сжатия и расширения может повторяться без ослабления 10 000 раз.
Предполагается, что одна из причин такой длительной работы заключается в умеренности воздействия, включая невысокую температуру, требуемую для активации волокна. Повышения всего лишь на один градус Цельсия может быть достаточно для начала сокращения.
Волокна могут иметь самые разные размеры, от нескольких микрометров (миллионные доли метра) до нескольких миллиметров (тысячные доли метра) в ширину. Их легко производить партиями длиной до сотен метров. Испытания показали, что одно волокно способно поднимать груз, в 650 раз превышающий его собственный. Для этих экспериментов авторы даже разработали специальные миниатюрные тестовые установки.
Степень сжатия при нагревании волокна может быть заранее рассчитана путем определения степени первоначального растяжения волокна. Это позволяет точно настроить величину требуемой силы и изменения температуры, необходимой для работы.
Система вытягивания, используемая при изготовлении, позволяет включать другие компоненты в само волокно. Сначала создаётся крупногабаритная версия материала, так называемая преформа, которая затем нагревается до температуры, при которой материал становится вязким. Затем заготовку можно вытянуть, создав нановолокно, которое сохраняет свою внутреннюю структуру, но составляет небольшую долю от ширины заготовки.
В испытаниях исследователи покрыли волокна сетками из нанопроводов. Эти сетки выполняли роль датчиков натяжения, испытываемого или создаваемого волокном. В будущем в эти волокна можно также включить нагревательные элементы, обеспечивающие нагревание без внешнего источника тепла для активации сокращения «наномышцы».
Спектр возможного применения волокон достаточно широк: исполнительные механизмы в роботизированных руках, ногах или манипуляторах, а также в протезах, где их небольшой вес и короткое время отклика будут чрезвычайно полезны для пациентов.
Некоторые протезы сегодня могут весить до 15 кг, причем большая часть веса приходится на исполнительные механизмы, которые часто делают пневматическими или гидравлическими. Облегченные с помощью нановолокон приводы помогут упростить жизнь тем, кому необходимо протезирование. Такие волокна могут найти применение в миниатюрных биомедицинских устройствах, например, для медицинского робота, который активируется при введении в артерию. Время активации волокна составляет порядка десятков миллисекунд.
Чтобы обеспечить силу для подъема тяжелых грузов, волокна могут быть связаны вместе, так же как мышечные волокна связаны в мышцы. Исследователи успешно испытали комплекс из 100 волокон.
В процессе производства в волокна можно интегрировать датчики обратной связи, необходимые для обеспечения точной работы протеза конечности.
Статья M. Kanik et al. Strain-programmable fiber-based artificial muscle опубликована в журнале Science.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам MIT: Artificial “muscles” achieve powerful pulling force