Искусственные мышцы из обычной рыболовной лески. Искусственные мускулы

Разработана технология создания недорогих искусственных мышц на основе жесткого каркаса, заключенного в мягкую камеру. Мышцы сокращаются за счет уменьшения в них давления, причем их можно создавать, используя разные материалы. Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences .

Инженеры, разрабатывающие роботов, нередко используют в своих изобретениях конструкции, напоминающие по функциям живых существ. Несмотря на это, для движения роботы все равно чаще всего используют электромоторы или двигатели внутреннего сгорания, соединенные со сложными механическими передачами. Некоторые исследователи придерживаются другого подхода и разрабатывают источники движения, более близкие по своему устройству к мышцам. Уже существует немало прототипов искусственных мышц, которые могут сокращаться подобно настоящим мышцам, но почти все они требуют дорогих материалов и технологических процессов, при этом эффективность многих из них все еще низка.

Исследователи под руководством Роберта Вуда (Robert Wood) из Гарвардского университета разработали простую и недорогую технологию создания эффективных искусственных мышц, которые можно создавать из большого количества разных материалов. Принципиальная схема создания таких актуаторов довольно проста. В качестве основы используется каркас заданной формы, который может складываться и раскладываться. Затем вокруг этого каркаса склеиваются или сплавляются два фрагмента пленки из полимера или другого воздухонепроницаемого и мягкого материала. Таким образом формируется мягкая камера с жестким каркасом внутри, которая подключается к источнику разницы давления.

Принцип действия искусственных мышц

Shuguang Li et al. / PNAS, 2017

Управление актуатором происходит за счет уменьшения или увеличения давления жидкости или газа внутри камеры. В результате актуатор начинает менять форму: складываться или наоборот увеличиваться в размерах, а в случае с каркасом сложной формы, совершать другие движения - например, изгибаться в определенную сторону.

Пример захватывающего устройства

Shuguang Li et al. / PNAS, 2017

С помощью такой технологии исследователи создали несколько прототипов актуаторов, и измерили их эффективность. Один из этих прототипов, представляющий собой десятисантиметровый линейный актуатор весом менее трех грамм, смог поднять груз массой более трех килограмм. Исследователи подсчитали, что пиковая мощность таких актуаторов составляет около двух киловатт на килограмм массы, что делает их мощнее настоящих скелетных мышц млекопитающих.

Ранее ученые представляли множество прототипов искусственных мышц, работающих на основе разных принципов. Некоторые также работают за счет давления, например, основную часть которой занимает полимерная пена, покрытая силиконом, а также мягкие вакуумные из множества полых ячеек. Другие используют для своей работы нагревание: таким образом работают на основе нейлоновой лески и недавно представленный , наполненный пузырьками с этанолом, который при нагревании превращается в газ и расширяется. Помимо этого недавно был представлен из множества слоев двумерного материала, который расширяется при внедрении в него сторонних ионов. Кстати, не всегда искусственные мышцы сделаны полностью из искусственных материалов. Тайваньские ученые мышцы из тонкой пленки из кожицы лука, которая сокращается под действием электричества.

Григорий Копиев

Наука и жизнь // Иллюстрации

Еще не прошло и десяти лет со времени открытия экзотических структур - углеродных нанотрубок, но они продолжают удивлять исследователей. Углеродные нанотрубки - тончайшие листочки хорошо известного графита, свернутые в трубку диаметром от 0,7 до 1,5-2,0 нм и длиной до нескольких микрон (см. "Наука и жизнь" № 11, 1993 г.).

Высокая прочность углерод-углеродной связи, малые размеры, сетчатое строение оболочек нанотрубок (они состоят из связанных шестиугольников) и отсутствие дефектов обеспечивают их необычные механические свойства: они в 10-12 раз прочнее и в 6 раз легче стали. Нить диаметром 1 мм из таких нанотрубок могла бы выдержать 20-тонный груз, в сотни миллиардов раз больший ее собственного веса. А диаметр одиночной нанотрубки столь мал (в 50 тысяч раз меньше диаметра человеческого волоса), что нанокабель от Земли до Луны можно было бы намотать на катушку размером с маковое зернышко.

Все это вызывает немалый энтузиазм материаловедов, которые недавно вспомнили, например, даже о фантастической идее американского писателя Артура Кларка связать подъемником с Землей космический корабль на геостационарной орбите.

Необычные электронные свойства углеродных нанотрубок вот-вот найдут применение в первых дисплеях с полевыми эмиттерами и в туннельных микроскопах, они вызвали большую серию работ в попытках создать молекулярный транзистор, размер которого был бы на несколько порядков меньше самых миниатюрных из ныне существующих электронных приборов.

Еще одну область их использования наметило сообщение, ставшее научной сенсацией.

В феврале - марте 1999 г. в городке Кирхберг, что в Тироле (Австрия), состоялась 13-я Международная зимняя школа по электронным свойствам новых материалов. Среди довольно большого числа докладов по нанотрубкам общее внимание привлек доклад международной исследовательс кой группы сотрудников во главе с Рэем Баухманом (Ray Baughman), сотрудником компании "Эллайд Сигнел" (Allied Signal). Доклад был посвящен созданию искусственных мускулов и позднее изложен в статье, опубликованной в журнале "Сайенс" (Science, 1999. v. 284, N. 5418, p. 1340-1344, May 21).

Создать искусственные мускулы пытаются давно, и для решения этой задачи просматривались несколько путей. Можно, например, использовать пьезоэффект: изменение размеров кристалла или керамики при наложении электрического напряжения. Можно "играть" на способности слоистых веществ расширяться в направлении, перпендикулярном плоскости слоев, при внедрении между слоями химикатов. Но эти пути либо сложны, либо малоэффективны.

В группе Баухмана использовали иной принцип. Углеродные нанотрубки можно получать в виде листочков нанобумаги, в которых трубки перепутаны, переплетены друг с другом. Такую нанобумагу можно брать в руки, разрезать на полосы. Первые эксперименты были на удивление просты.

Исследователи приклеили две полоски нанобумаги к противоположным сторонам липкой ленты, присоединили к концам электроды и опустили в солевой раствор, обеспечивающий электропроводность. При включении электрической батареи, дающей напряжение в несколько вольт, обе полоски нанобумаги слегка удлинились, но связанная с отрицательным полюсом батареи удлинилась больше, и они изогнулись. Искусственный мускул (актюатор) действовал.

Конечно, такое устройство слишком примитивно, чтобы уже сегодня использовать его вместо бицепсов и трицепсов. Но уже ясно, что эта конструкция гораздо более перспективна, чем любая другая. Вместо солевого раствора предполагается применять проводящий полимер, создав легкий и прочный композитный материал.

Уже показано, что искусственные мускулы будут по меньшей мере втрое "сильнее" обычных, то есть смогут выдерживать гораздо большие нагрузки при тех же размерах. В отличие от металлов углеродные нанотрубки не разрушаются от усталости, могут работать при довольно высоких температурах. А используемые для их работы напряжение и сила тока невелики.

Искусственные мускулы со временем можно будет использовать для протезирования органов и отдельных мышц (скажем, сердечной). На их основе легко удастся сконструировать "руки" и "пальцы" роботов, работающих в космическом холоде или в 1000-градусную жару, в вакууме и в среде агрессивных газов.

Углеродные мускулы можно использовать и для производства энергии, поскольку, по словам Баухмана, эффект обратим: сгибание и разгибание полосок создают электрический потенциал. Соединенные в цепь элементы могут использовать энергию волн, приливов и отливов в электростанциях нового типа. Каждый автомобиль можно будет со временем снабдить легким устройством, которое при торможении станет подзаряжать аккумуляторы.

Обычно технологические новинки создаются с применением экзотических и, соответственно, очень дорогих материалов. Но не в этом случае. Международная команда исследователей сообщила о создании искусственных мышц на основе обычной рыболовной лески. Искусственные мышцы могут найти свое применение в производстве протезов, экзоскелетов и гуманоидных роботов. Так что появление недорогой технологии в этой сфере может поспособствовать появлению множества интересных технических новинок на рынке.

Вообще, термин "искусственные мышцы" объединяет под собой разнообразные материалы, способные сокращаться, расширяться или вращаться под действием тепла, электричества или других стимулов. А как только действие стимула прекращается, материал возвращается к своей исходной форме. Один из возможных подходов к созданию искусственных мышц это сплавы с памятью формы, например никелево-титановые. Проблема лишь в том, что стоит такой материал около 5 000$ за килограмм. Даже еще более эффективны искусственные мышцы на основе пряжи из полых карбоновых трубок (однослойных нанотрубок). Но это тоже очень дорогая технология.

Рэй Боман, химик из Техасского Университета, провел годы, работая над искусственными мышцами из однослойных нанотрубок. Скрученная карбоновая нить стремится вернуться к исходному состоянию, возвращая приложенную энергию. Это подобно тому как скрученная резинка вращает пропеллер игрушечного вертолетика. Но в данном случае систему приводит в движение электрический импульс.

Успех с нанотрубками натолкнул Бомана на мысль о том, нельзя ли аналогичным образом использовать какой-нибудь другой, более дешевый синтетический материал. Секрет успеха в данном случае заключался в том, что все нановолокна располагались параллельно друг другу (так же как волокна настоящих мышц) и были способны менять длину. Таким образом под действием тока все нанотрубочки реагировали согласовано и нить сокращалась. Такая же структурная особенность характерна для обычного нейлона, полимерные цепочки которого ориентированы вдоль волокна. И Боман решил выяснить, не может ли нейлон работать как искусственные мышцы.

Результат превзошел самые смелые ожидания. Боман и его коллеги из Техаса, Австралии и Китая работали над пластиковыми волокнами, скручивая их в нити. Оказалось, что такая пряжа способна сокращаться на 50% под действием тепла и возвращаться к исходному состоянию при охлаждении. Для сравнения, настоящие мышцы сокращаются всего на 20% своей длины. Связка волокон общим диаметром всего в 10 раз больше диаметра человеческого волоса способна поднять 7,2 кг. И производить такие искусственные мышцы возможно на основе самого заурядного материала ценой всего в 5$ за килограмм.

Искусственные мышцы хороши тем, что не содержат внутренних подвижных элементов. Это еще одна, довольно радикальная, альтернатива электродвигателям и пневматике с гидравликой. Существующие сегодня образцы представляют собой либо полимеры, чувствительные к напряжению или температуре, либо сплавы с памятью формы. Для первых требуется довольно высокое напряжение, вторые же имеют ограниченный диапазон движения и к тому же весьма дороги. Для создания мягких роботов используют и сжатый воздух, но это подразумевает наличие насосов и усложняет конструкцию. Чтобы сделать искусственные мышцы, мы обратились к рецепту ученых из Колумбийского университета, которым удалось соединить в одной конструкции высокую мощность, легкость, эластичность и потрясающую простоту. Мышцы представляют собой обычный мягкий силикон, в который заранее вводятся пузырьки спирта. При нагревании нихромовой спиралью спирт внутри них начинает кипеть, и силикон сильно разбухает. Однако если поместить все это в жесткую оплетку с перпендикулярным переплетением нитей, то разбухание превратится в обычное сокращение — примерно так же работают пневматические двигатели Маккиббена.

Поскольку силикон плохо проводит тепло, важно не подавать на спираль слишком большую мощность, иначе полимер начинает дымить. Это, конечно, выглядит эффектно и почти не мешает работе, но в конце концов может привести к пожару. Малая мощность тоже нехороша, так как время сокращения тогда может затянуться. В любом случае в конструкции не будут лишними ограничительный термосенсор и ШИМ-регулятор.

Методы

Силиконовые мышцы удивительно просты по конструкции, и при работе с ними реально столкнуться только с двумя проблемами: подбором мощности и созданием достаточно удобных форм для заливки.

Заливочные формы удобно делать из прозрачных пластиковых листов. Только учитывайте, что механизм крепления спирали внутри полимера следует продумывать заранее: после заливки будет поздно.

И материалы

Мягкий силикон для создания мышц можно приобрести в магазинах, где продаются товары для творчества. Оплетка нужного плетения обычно используется для организации и проводки кабелей, искать ее следует у электриков. Самые большие сложности возникают с 96-процентным этанолом, который в России купить сложнее, чем танк. Впрочем, его вполне можно заменить изопропанолом.

«Популярная Механика» выражает благодарность Магазину скелетов за помощь в проведении съемок.

Искусственные мышцы из нейлоновой лески

С обычной рыболовной леской из полимерного материала можно сделать занимательный опыт. Если вытянуть леску в длину и, зажав один конец, долго закручивать другой вокруг своей оси, то на леске образуются плотные кольца и она приобретает вид спиральной пружины. При нагревании эта пружина сокращается, а при охлаждении – удлиняется. Сборная команда новосибирских школьников исследовала свойства такой «искусственной мышцы» на Международном турнире юных физиков IYPT-2015. Интересно, что для количественного описания сокращения таких мышц можно использовать теорему Калугаряну – Уайта – Фуллера, ранее нашедшую применение в молекулярной биологии при описании сверхспирализованных ДНК

Искусственные мышечные волокна, способные многократно сокращаться под действием внешнего стимула и совершать механическую работу, в недалеком будущем могут найти применение в разнообразных приложениях, от экзоскелетов и промышленных роботов до микрофлюидных технологий. Разработки и исследования искусственных мышц ведутся по разным направлениям – металлы с памятью формы, электроактивные полимеры, жгуты из углеродных нанотрубок. Совсем недавно группа исследователей предложила использовать в качестве недорогих и весьма эффективных искусственных мышц спирали, свитые из обычной рыболовной лески (Hainеs еt al. , 2014). Такая искусственная мышца заметно сокращается при нагревании и вновь удлиняется при охлаждении. Изготовить спиральную мышцу из нейлоновой лески и исследовать ее свойства было предложено участникам Международного турнира юных физиков IYPT-2015 в задаче «Искусственная мышца».

Мышцы требуют тренировки

В наших экспериментах мы использовали леску диаметром 0,7 мм. Чтобы свернуть ее в спираль, мы закрепили электродрель в вертикальном положении, зажали один конец лески в патроне, а к другому концу прикрепили груз весом 3 Н – при таком весе леска не порвется, а свернется в однородную спираль. В процессе закрутки груз должен подниматься вверх, не проворачиваясь вокруг вертикальной оси, для чего на него устанавливается фиксатор.

Когда продольные волокна на поверхности лески завиваются примерно на 45° по отношению к продольной оси, леска начинает скручиваться в плотную спираль. Исходный отрезок лески длиной 1 м при скручивании превращается в 17 см такой спирали. При этом нейлон претерпевает столь сильную пластическую деформацию, что после снятия вращающего усилия спираль почти не раскручивается обратно. В принципе это новое состояние волокон можно закрепить, медленно нагрев леску до температуры, близкой к температуре плавления, а затем охладив ее.

Во избежание раскручивания спирали при последующих испытаниях мы составляли искусственную мышцу из двух спиралей с правой и левой завивкой, скрепляя их параллельно. Снизу к вертикально подвешенной мышце крепился поднимаемый груз. Для сокращения мышцы на ее верхний конец по трубке подавалась горячая вода, которая свободно стекала по спиралям вниз. Температура мышцы измерялась закрепленным на ней термодатчиком, удлинение – ультразвуковым датчиком перемещения.

Работа, совершаемая двигателем по перемещению груза против постоянной действующей силы, равна произведению величины силы и перемещения. Например, при перемещении свободно подвешенного груза весом 10 Н вверх (т.е. в направлении, противоположном вектору силы тяжести) на 0,03 м подъемник совершает работу 10 Н × 0,03 м = 0,3 Дж.

Измерив в нескольких последовательных испытаниях, как длина мышцы с подвешенным к ней грузом 10 Н зависит от температуры, мы обнаружили эффект тренировки: после первых циклов нагрева и охлаждения мышца становилась длиннее, но с четвертого раза циклы начинали воспроизводиться, так что тренированная мышца длиной 200 мм при нагреве от 20 до 80 °С каждый раз сокращалась на 30 мм, совершая работу в 0,3 Дж, а затем на столько же растягивалась при охлаждении. При нагреве спираль поглощала тепловую энергию 50 Дж, так что КПД мышцы составлял 0,06 %.

Твист и серпантин

Объясним теперь, почему нейлоновая спираль сокращается при увеличении температуры. Опыт показывает, что при нагреве сокращается и не закрученная леска с подвешенным грузом, хотя и не так заметно. Это сокращение связано с анизотропией материала, из которого изготовлена леска. Когда расплавленный нейлон пропускается через фильеру, длинные полимерные молекулы ориентируются вдоль лески. Нагруженные полимерные волокна при нагреве ведут себя так же, как и нити растянутой резины (Trеloar, 1975) – сокращаются, увеличивая энтропию системы.

Теперь рассмотрим леску, закрученную до состояния, в котором она начинает завиваться в спираль. Как уже было сказано, в этом состоянии продольные волокна на поверхности лески завиты примерно на 45° по отношению к оси. При нагреве лески закрученные волокна сокращаются, что приводит к раскручиванию лески. Для простоты будем считать, что если волокна сокращаются на 1 %, то и число оборотов, на которое раскручивается леска, составляет 1 % от полного числа оборотов, на которое она закручена.

Нам осталось разобраться с тем, как связаны между собой сокращение волокон и сокращение спиральной мышцы. Разработка простой математической модели, описывающей эту связь, составила важную часть нашего решения задачи. В итоге для описания сокращения спирали мы применили формулу Калугаряну – Уайта – Фуллера (CWF):

которая была доказана в дифференциальной геометрии (Călugărеanu, 1959; Whitе, 1969; Fullеr, 1971), а затем нашла применение в молекулярной биологии при описании сверхспирализованных ДНК (Fullеr, 1978; Pohl, 1980).

Число зацепления Lk (англ. – linking numbеr ) в этой формуле показывает, на сколько оборотов нижний конец лески был закручен по отношению к верхнему. Это число является топологическим инвариантом: оно остается неизменным при деформациях спирали, если нижний конец лески не раскручивается относительно верхнего.

Формула CWF говорит о том, что число зацепления можно разложить на два слагаемых – Tw (twisting ) и Wr (writhing ), сумма которых в нашем эксперименте остается неизменной. Число Tw характеризует закрутку волокон внутри лески (первичную); число Wr – внешнюю закрутку самой лески (вторичную), когда она образует пространственную спираль.

Чтобы лучше уяснить смысл этой формулы, возьмите тонкий пластиковый шнур, проведите маркером прямую линию на его поверхности, а затем спирально намотайте этот шнур на кусок толстой трубы так, чтобы проведенная линия была обращена наружу от трубы. Допустим, что шнур обернут вокруг трубы на 5 оборотов. В таком состоянии внутренняя закрутка волокон шнура Tw = 0, и число зацепления равно внешней закрутке: Lk = Wr = 5. Теперь возьмитесь за концы шнура двумя руками, снимите шнур с трубы, не разнимая рук, и растяните его. Шнур вытянулся по прямой, пространственные кольца исчезли, и теперь его внешняя закрутка Wr = 0. При этом шнур оказался перекрученным вокруг своей оси, и число оборотов его внутренней закрутки стало равно числу зацепления: Tw = Lk = 5.

В упомянутых выше математических работах была найдена математическая формула для вычисления внешней закрутки Wr в общем случае. Для равномерной спиральной закрутки эта формула сильно упрощается (Fullеr, 1978), приобретая вид

Wr = N ∙(1 – sin α),

где N – это число витков внешней спирали, α – угол подъема винтовой линии спирали.

Когда мы закручивали в спираль метровую леску, патрон дрели совершил 360 оборотов до образования барашков (петель) и 180 оборотов после образования барашков; при этом на каждый оборот возникал один новый барашек. Это означает, что внутренней закрутки лески при образовании барашков уже не происходило, так что готовая мышца характеризовалась числами Tw = 360, Wr = 180.

Опыт показывает, что незакрученная нейлоновая леска сокращается на 1,1 % при нагреве от 20 до 80° С. Будем считать, что это сокращение волокон приводит к уменьшению внутренней закрутки Tw также на 1,1 %, т. е. на 4 оборота. Тем самым внешняя закрутка Wr увеличивается на 4 оборота, т. е. на 2,2 %. Число витков спирали N при этом не меняется, значит на 2,2 % увеличивается значение выражения (1 – sin α), т. е. уменьшается величина угла α, за счет чего спираль и становится короче. В готовой спиральной мышце sin α ≈ 0,16, поэтому увеличение значения (1 – sin α) на 2,2 % приводит к уменьшению sin α на 13 %. Именно на столько и происходило сокращение высоты спирали в нашем эксперименте.

Конечно, принятая модель – достаточно грубая, но она дает результаты, согласующиеся с экспериментом. Ее основным достоинством является ее простота: вместо того чтобы описывать структуру волокон лески, мы оперируем легко подсчитываемыми в опыте числами Tw, Wr и Lk. Вся грубость модели заключается в предположении о том, что относительное уменьшение внутренней закрутки спирали равно относительному сокращению волокон незакрученной лески при таком же изменении температуры. Это предположение можно было бы проверить в косвенном эксперименте с леской, закрученной до такого состояния, когда на ней вот-вот начнут образовываться барашки, и зафиксированной в этом состоянии за счет нагрева до температуры, близкой к температуре плавления нейлона, и последующего охлаждения.

Литература

Călugărеanu G. L’ intégral dе Gauss еt l’analysе dеs noеuds tridimеnsionnеls // Rеv. Math. Purеs Appl. 1959. V. 4. P. 5–20.

Chеrubini A., Morеtti G, Vеrtеchy R., Fontana M. Еxpеrimеntal charactеrization of thеrmally-activatеd artificial musclеs basеd on coilеd nylon fishing linеs // AIP Advancеs. 2015. V. 5. Doc. 067158.

Hainеs C. S., Lima M. D., Na Li еt al. Artificial musclеs from fishing linе and sеwing thrеad // Sciеncе. 2014. V. 343. P. 868–872.

Fullеr F. B. Thе writhing numbеr of a spacе curvе // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1971. V. 68. P. 815–819.

Fullеr F. B. Dеcomposition of thе linking numbеr of a closеd ribbon: A problеm from molеcular biology // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1978. V. 75. P. 3557–3561.

Pohl W. F. DNA and diffеrеntial gеomеtry // Math. Intеlligеncеr. 1980. V. 3. P. 20–27.

Trеloar L. R. G. Thе physics of rubbеr еlasticity. Oxford univеrsity prеss, 1975.

Whitе J. H. Sеlf-linking and thе Gauss intеgral in highеr dimеnsions // Am. J. Math. 1969. V. 91. P. 693–728.

Возможно, будет полезно почитать: