Исследователи в США из Техасского университета в Остине и Университета штата Пенсильвания создали новый тип волокна, который может работать как мышечный привод, во многих отношениях лучше, чем другие варианты, существующие сегодня. 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.

Вам может понравиться

Учёные: саранча поможет определять раковые опухоли

В диагностике онкологических заболеваний в будущем могут произойти изменения. Выявлять раковые клетки будут с помощью технологии, которую разработают на основе работы мозга саранчи. Учёные из США выяснили, что насекомое способно

Swissinfo: Разработан экологичный ПЭТ-пластик, производимый из отходов биомассы

Ученые из Швейцарии и Австрии создали перерабатываемый прочный термостойкий пластик, который можно легко изготовить из несъедобных частей растений и применять для упаковки пищевых продуктов. Об этом сообщает Swissinfo. Перевод основных

Forbes: Новые данные Gaia показывают, что астероидов в 10 раз больше, чем считали учёные

Согласно первым анализам нового массива данных, полученного с космического телескопа «Гайя» (Gaia) Европейского космического агентства (ЕКА), обнаружилось в 10 раз большее число астероидов, чем ранее предполагали астрономы. Об этом сообщает
Погода в России: