Об этом сообщает портал Eurekalert. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Имитация человеческого тела, особенно приводов, управляющих движением мышц, вызывает огромный интерес во всем мире. В последние годы это привело ко многим инновациям для улучшения робототехники, протезов конечностей и многого другого, но создание этих приводов обычно включает сложные процессы с использованием дорогих и труднодоступных материалов.
Американские исследователи обнаружили, что созданные ими (первоначально - во время работы над другим проектом) наноструктурированные волокна более эффективны, гибки и способны выдерживать повышенную нагрузку по сравнению с теми, что существуют сегодня. Эти волокна можно использовать по-разному, включая медицину и робототехнику.
«В принципе, можно внедрить в роботе конечность из этих волокон, которая реагирует на раздражители и возвращает энергию, вместо того, чтобы использовать для этого механический двигатель, и получить более мягкое прикосновение», - сказал Маниш Кумар, профессор Инженерной школы Кокрелла.
Этот тип роботизированной руки можно использовать также во вспомогательном экзоскелете, чтобы помочь людям со слабыми руками восстановить движение и силу. Исследователи говорят, что еще одним потенциальным применением может быть своего рода «самозакрывающаяся повязка» для использования в хирургических процедурах, которая естественным образом разлагается внутри тела после заживления раны.
«Простота изготовления этих волокон из полимера и возможность их вторичной переработки очень важны, и это аспект, который не охватывает большая часть других сложных исследований искусственных мышц», - сказал Кумар.
«Приводы - это материал, который будет изменяться или деформироваться под любыми внешними раздражителями, например, части машины, которые будут сжиматься, изгибаться или расширяться. А для таких технологий, как робототехника, перед нами стояла задача разработать мягкие и легкие версии этих материалов, которые могут фактически действовать как искусственные мышцы», - сказал Роберт Хики, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Университете штата Пенсильвания.
Полученный исследователями волокнистый материал известен как блок-сополимер. Для его создания требуется всего лишь поместить полимер в растворитель, а затем добавить воду. Одна часть полимера гидрофильна (притягивается к воде), а другая часть гидрофобна (устойчива к воде). Гидрофобные части полимера группируются вместе, чтобы защитить от воды структуру всего волокна.
По словам ученых, материалы состоят из четко выровненных наноструктур с чередующимися кристаллическими и аморфными областями, напоминающими упорядоченную и поперечно-полосатую структуру скелетных мышц млекопитающих.
Аналогичным существующим волокнам требуется электрический ток, чтобы стимулировать реакции, связывающие части вместе. Это сложнее осуществить по сравнению с новым волокном, которое представляет собой механическую реакцию, при которой ткани сами выполняют большую часть работы. Еще одним дополнительным преимуществом является то, что процесс можно легко обратить вспять и вернуть куски волокна в исходное состояние.
Исследователи обнаружили, что их волокна на 75% более эффективны с точки зрения преобразования энергии в движение, способны выдерживать на 80% большую нагрузку и могут вращаться с большей скоростью и силой, чем современные «искусственные мышцы». И они способны растянуться более чем на 900% своей длины, прежде чем могут разорваться.
Исключительные свойства гидрогелей при растяжении являются результатом сочетания жестких аморфных наноразмерных доменов и пор микрометрового размера, заполненных водой. Когда гидрогели растягиваются, они возвращаются назад, как резиновая лента. Если растянутые волокна высушить в растянутом состоянии, полимерная сетка будет кристаллизоваться, фиксируя вытянутую форму волокон.
Именно последнее свойство привлекло команду исследователей, которая сперва разрабатывала наноструктурированные гидрогелевые материалы - полимеры для изготовления мембран для фильтрации воды. Однако итоговые конструкции оказались слишком длинными для потенциальных фильтрующих мембран.
Тем не менее, полученные полимеры могли растягиваться в несколько раз по сравнению с их первоначальной длиной при гидратации и затвердевании и фиксировать удлиненную форму при сушке в растянутом состоянии. По словам ученых, добавление воды или тепла позволяло материалу вернуться к своему первоначальному размеру, что сделало его перспективным для использования в новом качестве - «искусственных мышц».
Исследователи отмечают, что они находятся на ранней стадии проекта, и в дальнейшем планируют узнать больше о структурных изменениях полимера и улучшить некоторые характеристики срабатывания, включая плотность энергии и скорость. Они также намерены использовать ту же технику проектирования для создания исполнительных механизмов, которые реагируют на различные раздражители, такие как свет.