Большая энциклопедия нефти и газа. Искусственные мышцы из нейлоновой лески

Современные роботы могут многое. Но при этом им далеко до человеческой легкости и грациозности движений. И вина тому - несовершенные искусственные мышцы. Ученые многих стран стараются решить эту проблему. Статья будет посвящена краткому обзору их удивительных изобретений.

Полимерные мышцы от сингапурских ученых

Шаг к более недавно сделали изобретатели из Национального Сегодня андроиды-тяжеловесы двигаются за счет работы гидравлических систем. Существенный минус последних - небольшая скорость. Искусственные же мышцы для роботов, представленные сингапурскими учеными, позволяют киборгам не только поднимать предметы, которые в 80 раз тяжелее их собственного веса, но и делать это так же быстро, как и человек.

Инновационная разработка, растягивающаяся в длину в пять раз, помогает "обойти" роботам даже муравьев, которые, как известно, могут переносить предметы в 20 раз тяжелее веса их собственного тельца. Полимерные мышцы обладают следующими достоинствами:

гибкостью;
поражающей прочностью;
эластичностью;
способностью менять свою форму за несколько секунд;
возможностью преобразовывать кинетическую энергию в электрическую.

Однако на этом ученые не собираются останавливаться - в их планах создать искусственную мускулатуру, которая бы позволила роботу поднимать груз, в 500 раз тяжелее его самого!

Открытие из Гарварда - мышцы из электродов и эластомера

Изобретатели, которые трудятся в Школе прикладных и инженерных наук Гарвардского университета, представили качественно новые искусственные мышцы для так называемых "мягких" роботов. По словам ученых, их детище, состоящее из мягкого эластомера и электродов, в чьем составе углеродные нанотрубки, по своим качествам не уступает человеческой мускулатуре!

Все существующие на сегодня роботы, как уже говорилось, имеют в своей основе приводы, чей механизм - это гидравлика или пневматика. Такие системы работают за счет сжатого воздуха или реакции химических веществ. Это не позволяет сконструировать робота, такого же мягкого и быстрого, как человек. Гарвардские ученые устранили этот недостаток, создав качественно новый концепт искусственных мышц для роботов.

Новая "мускулатура" киборгов - многослойная структура, в которой электроды из нанотрубок, созданные в лаборатории Кларка, управляют верхними и нижними слоями гибких эластомеров, являющихся детищем ученых уже из Калифорнийского университета. Такие мышцы идеальны как для "мягких" андроидов, так и для лапароскопических инструментов в хирургии.

На этом замечательном изобретении гарвардские ученые не остановились. Одна из последних их разработок - это биоробот-скат. Его составляющие - клетки сердечных мышц крыс, золото и силикон.

Изобретение группы Баухмана: еще один вид искусственных мышц на основе углеродных нанотрубок

Еще в 1999 г. в австралийском городке Кирхберге на 13-й встрече Международной зимней школы по электронным свойствам инновационных материалов выступил с докладом ученый Рей Баухман, работающий в компании Allied Signal и возглавляющий международную исследовательскую группу. Его сообщение было на тему изготовления искусственных мышц.

Разработчики под началом Рэя Баухмана смогли представить в виде листов нанобумаги. Трубочки в этом изобретении были всячески переплетены и перепутаны между собой. Сама нанобумага своим видом напоминала обычную - ее возможно было держать в руках, разрезать на полосы и кусочки.

Эксперимент группы с виду был очень прост - ученые прикрепили кусочки нанобумаги к разным сторонам клейкой ленты и опустили эту конструкцию в соляной электропроводный раствор. После того как была включена слабовольтная батарея, обе нанополоски удлинились, особенно та, что была связана с отрицательным полюсом электробатареи; затем бумага изогнулась. Модель искусственной мышцы функционировала.

Сам Баухман считает, что его изобретение после качественной модернизации существенно преобразит роботехнику, ведь такие углеродные мышцы при сгибании/разгибании создают электрический потенциал - производят энергию. К тому же такая мускулатура раза в три сильнее человеческой, может функционировать при крайне высоких и низких температурах, используя для своей работы невысокую силу тока и напряжения. Вполне возможно ее применение и для протезирования человеческих мышц.

Техасский университет: искусственные мышцы из рыболовной лески и швейных ниток

Одной из самых поразительных является работа ученой группы из Техасского университета, который расположен в Далласе. Ей удалось получить модель искусственной мускулатуры, по своей силе и мощности напоминающей реактивный двигатель - 7,1 л.с./кг! Такие мышцы в сотни раз сильнее и продуктивнее человеческих. Но самое удивительное здесь то, что их сконструировали из примитивных материалов - высокопрочной лески из полимера и швейной нитки.

Питание такой мышцы - это перепад температур. Обеспечивает его швейная нить, покрытая тонким слоем металла. Однако в будущем мышцы роботов могут подпитываться от перепадов температур окружающей их среды. Это свойство, кстати, вполне можно применять для адаптирующейся к погоде одежды и других подобных устройств.

Если скручивать полимер в одну сторону, то он будет резко сжиматься при нагревании и быстро растягиваться при охлаждении, а если в другую - то в корне наоборот. Такая нехитрая конструкция может, например, вращать габаритный ротор со скоростью 10 тыс. оборотов/мин. Плюс таких искусственных мышц из лески в том, что они способны сокращаться до 50 % от своей исходной длины (человеческие только на 20 %). Кроме этого, их отличает удивительная выносливость - эта мускулатура не "устает" даже после миллионного повторения действия!

От Техаса до Амура

Открытие ученых из Далласа вдохновило немало ученых со всего мира. Успешно повторить их опыт, однако, удалось только одному роботехнику - Александру Николаевичу Семочкину, главе лаборатории информационных технологий при БГПУ.

Вначале изобретатель терпеливо ждал новых статей в Science о массовом внедрении в жизнь изобретения американских коллег. Так как этого не происходило, амурский ученый решил со своими единомышленниками повторить замечательный опыт и сотворить своими руками искусственные мышцы из медной проволоки и рыболовной лески. Но, увы, копия оказалась нежизнеспособной.

Огромное количество мужчин, знаменитых спортсменов, актеров и обычных рабочих, мечтают о красивом подтянутом теле как с обложки журнала. Многие представители сильного пола убеждены, что именно такой внешний вид сделает их уверенными в себе, ведь такое тело нравится красивым женщинам.

Поспорить с этим утверждением сложно, атлеты нравятся большинству женщин. Но как же добиться желаемого результата, если не хочется дни и ночи проводить в спортзале. Казалось бы, идеальное решение – искусственные мышцы, но на самом деле все не так просто, у любой процедуры есть свои показания и побочные эффекты. Рассмотрим несколько видов увеличения мышц искусственным путем.

Увеличение объема мышц

Синтол долгие годы использовался профессиональными спортсменами перед соревнованиями, чтобы придать мышцам дополнительного объема. Это специальный раствор для инъекций, на основе масел, который позволяет локально увеличить мышцу там, где это необходимо. Такая процедура помогает сделать тело точеным и красивыми.

Объем появляется в результате набухания мышц из-за попадания в них масел, также предполагается, что в мышечной ткани возникает локальный воспалительные процесс, провоцирующий отек. Такие искусственные мышцы на самом деле не становятся сильными и крепкими, они лишь опухают, становятся более объемными на вид.

Определенно, такое вмешательство в работу организма полезным назвать очень трудно. Мало того, что синтол годами выводится из организма, он имеет большое количество побочных эффектов, существуют даже случаи летального исхода после применения этого препарата.

Дело в том, что при инъекциях жир может легко попасть в кровеносные сосуды, что в свою очередь провоцирует заболевание, называемое жировой эмболией. Грозит такое состояние страшными последствиями, такими как инсульт и инфаркт. По этой причине в настоящее время профессиональные спортсмены отказываются от синтола в качестве косметической процедуры.

Импланты

Самый простой способ получить красивые на вид искусственные мышцы, ни разу не посещая спортивный зал – сделать пластическую операцию. Врач установит в необходимом месте силиконовые импланты, которые будут выглядеть как настоящие мышцы, но в отличие от мышц при отсутствии тренировок импланты не рассосутся.

Силикон вставляют двумя способами: либо под кожу, либо под мышечную ткань. В первом случае процедура является достаточно безопасной и дешевой, операция проходит быстро, и обычно без последствий, но такие «мышцы» будут выглядеть не натурально, так как будут видны необычные контуры, кроме того, импланты очень мягкие на ощупь, что через кожу хорошо прощупывается.

Во втором случае эффект от операции более натуральный, так как имплант помещают под мышечную ткань, предварительно разрезав ее, и впоследствии сшив. Такое вмешательство является достаточно сложным, требуется длительная реабилитация после операции, восстановление мышечной ткани проходит достаточно тяжело и долго.

В отличие от использования медикаментов, эффект от имплантов останется навсегда, но любое хирургическое вмешательство может иметь осложнения:

Импланты не всегда приживаются, иногда приходится снова делать операцию, удаляя их;
Организм может ответить бурной аллергической реакцией на инородное тело;
После операции может возникнуть кровотечение, инфекция, воспалительный процесс в тканях, нагноение;
Если хирург недостаточно опытен, могут остаться заметные рубцы;
Может возникать сильный отек тканей, который не проходит длительное время.

Если человек решается на операцию, нужно обязательно убедиться, что врач достаточно опытный, обязательно пройти обследование, и не ложиться под нож пластического хирурга, если есть противопоказания. Красивым можно стать и без риска для дальнейшей жизни.

Пуш-ап

Еще один способ казаться накачанным и сильным – носить накладки. Как известно, многие годы женщины использую пуш-ап бюстгальтеры, чтобы их грудь казалась пышной, такое белье устраивает большинство дам, и под нож они ложиться не собираются.

Почему бы и мужчинам не воспользоваться этим безопасным и вполне эффективным методом. Если надеть накладку под одежду, тело будет казаться более объемным и мужественным, чего достаточно многим мужчинам, чтобы чувствовать себя уверенными в себе на работе и при встрече с друзьями.

Такой способ является полностью безопасным, в отличие от лекарств и хирургического вмешательства. Накладки ни коем образом не вредят организму, не вызывают физического привыкания, но они имеют и ряд существенных недостатков:

В первую очередь, в пуш-ап накладках очень жарко, особенно летом. Такой метод подойдет для холодного времени года.
Накладки незаметны под одеждой, но если снять рубашку, тайна сразу раскроется.
Искусственные мышцы на ощупь не похожи на настоящие мускулы.
Накладки не сокращаются, как настоящие мышцы, поэтому при прикосновении сразу выдают себя.
Стоят они не дешево, на эти деньги лучше приобрести абонемент в спортзал и заняться своим здоровьем и фигурой по-настоящему.

Стероиды

Еще один всем известный метод быстро и без тренировок нарастить мышцы – прием анаболиков . Казалось бы, такой метод является прекрасным решением для тех, кто хочет красивое тело, но ленится тренироваться. При том, мышцы растут по-настоящему, а не опухают как от синтола, внутри нет никаких инородных тел, как при установке имплантов.

Стероиды-анаболики повышают количество тестостерона в организме. Таким образом, мозг воспринимает себя более мужественным и начинает активно наращивать мышечную массу, делая человека сильнее и крупнее. Минусом стероидов является то, что они вызывают привыкание, со временем организм перестанет вырабатывать тестостерон самостоятельно.

Кроме того, анаболики имеют побочные эффекты, они негативно влияют на печень, угнетая ее работу, нарушая кровообращение. Как следствие, в организме накапливаются вредные вещества, поэтому могут возникать злокачественных новообразования. Кроме того, при приеме анаболиков повышается давление, уровень холестерина в крови, и соответственно, риск сердечно-сосудистых заболеваний.

Технологии

В последние годы ученые активно работают над созданием искусственной мышцы, которая идеально повторяет настоящую мышцу человека. Такое изобретение поможет не только в пластической хирургии, искусственную мышцу можно имплантировать в сердце, чтобы нормализовать его работу.

Ученые изготовили мышцу из полимеров, которая прекрасно имитирует настоящую мышцу человека. Они сокращаются и прекрасно работают, но ученых смущает, что такие мышцы недостаточно крепки, и не всегда выполняют свои функции, могут рваться, поэтому о полноценной жизни в таком случае говорить трудно.

Кроме того, искусственные мышцы получались очень дорогими, поэтому для простых людей они бы никогда не были доступными. Сейчас ученые активно изучают возможность создания мышц и их имплантации в тело человека, наверняка через несколько десятков лет им это удастся, и пластическая хирургия сделает большой шаг вперед.

Лучшее

Лучше всего получить настоящие мышцы, регулярно тренируясь и правильно питаясь . Такой метод не только самый безопасный, но он действительно поднимет самооценку, укрепит тело, ведь, чтобы добиться таких высот, нужно очень постараться и долго тренироваться.

Вставить силиконовые мышцы, или употреблять лекарства проще всего, но разве это добавит человеку уверенности в себе и здоровья. До сих пор такие методы считаются вредными и настоящие спортсмены их не уважают. Лучший способ сделать тело красивым и подтянутым – заниматься в тренажерном зале.

Увеличение (видео)

Но есть и совершенно неброские на 1-ый взор идеи, последствия внедрения которых могут привести к чуть ли менее конструктивным переменам в ежедневной жизни. Самый наилучший пример - «мускульная ткань», показавшаяся в умопомрачительной литературе только тогда, когда в лабораториях уже полным ходом шли работы по созданию железных и полимерных искусственных мускул, в том числе и для человечьих протезов.

В современной технике в главном употребляются два действенных метода совершения механической работы: термодинамический и электрический. 1-ый основан на использовании энергии сжатого газа, как в движках внутреннего сгорания, паровых турбинах и огнестрельном оружии. Во 2-м задействованы магнитные поля, создаваемые электронными токами, - так работают электромоторы и электромагниты. Но в живой природе для получения механического движения употребляется совсем другой подход - управляемое изменение формы объектов. Конкретно так работают мускулы человека и других живых созданий. При поступлении нервного импульса в их запускаются хим реакции, которые приводят к сокращению либо, напротив, к растяжению мышечных волокон.

Достоинства такового «природного» привода связаны с тем, что материал изменяется как целое. Это означает, что в нем нет передвигающихся друг относительно друга, а как следует, трущихся и изнашивающихся частей. Не считая того, сохраняется целостность организма (либо, вернее сказать, его геометрическая связность). Движение появляется на молекулярном, либо, как стильно сейчас гласить, наноуровне за счет маленького сближения либо удаления друг от друга атомов вещества. Это фактически устраняет мускулы от инерционности, которая так свойственна для всех ботов с электродвигателями. Но, естественно, у мышечного привода есть и недочеты. Если гласить о живых мышцах - это неизменный расход хим компонент, которыми нужно пичкать каждую клеточку мышечной ткани. Такие мускулы могут служить исключительно в качестве части сложного живого организма. Другой недочет связан с постепенным старением материала. В живом организме клеточки временами обновляются, а вот в цельном техническом устройстве схожее обеспечить очень трудно. В поисках искусственных мускул ученые стремятся сохранить достоинства, характерные движителям на базе конфигурации формы, и в то же время избежать их недочетов.

Школьница Панна Фелсен соревнуется с искусственной рукою, сделанной в Технологическом институте штата Виргиния

Память формы

1-ые исследования в области искусственных мускул были впрямую связаны с эффектом памяти формы, который присущ неким сплавам. Он был открыт в 1932 году шведским физиком Арни Оландером (Arne Olander) на примере сплава золота с кадмием, но практически 30 лет не завлекал особенного внимания. В 1961 году память формы совсем случаем нашли у никель-титанового сплава, изделие из которого можно произвольно деформировать, но при нагреве оно восстанавливает свою первоначальную форму. Не прошло и 2-ух лет, как в США появился коммерческий продукт - сплав, нитинол, получивший заглавие по собственному составу и месту разработки (NITINOL - NiTi Naval Ordnance Laboratories).

Память формы обеспечивается за счет того, что кристаллическая решетка нитинола может находиться в 2-ух устойчивых состояниях (фазах) - мартенситном и аустенитном. При температуре выше некой критичной весь сплав находится в аустенитной фазе с кубической кристаллической решеткой. При охлаждении сплав перебегает в мартенситную фазу, в какой благодаря изменившимся геометрическим пропорциям ячеек кристаллической решетки становится пластичным. Если приложить маленькое механическое усилие, изделию из нитинола в мартенситном состоянии можно придать практически всякую конфигурацию - она будет сохраняться до того времени, пока предмет не нагреют до критичной температуры. В этот момент мартенситная фаза становится энергетически нерентабельной, и металл перебегает в аустенитную фазу, восстанавливая прежнюю форму.

Так это смотрится в простом случае. На практике, естественно, на деформации есть ряд ограничений. Главное - они не должны превосходить 7-8%, по другому форма уже не сумеет быть стопроцентно восстановлена. Следующие разработки позволили сделать разные варианты нитиноловых сплавов. К примеру, есть такие, что помнят сходу две формы - одна соответствует высочайшим температурам, другая - низким. А при промежных температурах материал можно произвольно деформировать, но он вспомнит одну из 2-ух собственных форм при нагреве либо охлаждении.

На сегодня понятно уже более 10-ка сплавов с памятью формы на базе различных частей. Но семейство нитиноловых сплавов остается самым всераспространенным. Эффект памяти формы в сплавах на базе NiTi верно выражен, при этом спектр температур можно с неплохой точностью регулировать от нескольких градусов до 10-ов, вводя в сплав разные примеси. Не считая того, нитинол недорог, комфортен в обработке, устойчив к коррозии и обладает хорошими физико-механическими чертами: к примеру, его предел прочности всего в 2-4 раза ниже, чем у стали.

Пожалуй, главным недочетом схожих сплавов длительное время был маленький припас цикличности. Количество управляемых деформаций не превышало пары тыщ итераций, после этого сплав терял свои характеристики.

В мгновение ока

Разрешить эту делему смогла компания NanoMuscle. Зимой 2003 года на интернациональной ярмарке игрушек в Нью-Йорке ею была представлена необыкновенная куколка - Baby Bright Eyes. Игрушка очень близко к реальности копировала мимику глаз малеханького малыша, чего фактически нереально достигнуть с помощью обычно используемых в игрушечной промышленности микроэлектродвигателей - они очень инерционны. При всем этом цена куколки (при серийном производстве) оценивалась всего в 50 баксов, что смотрелось совершенно уж фантастично.

При разработке макета куколки инженерам компании NanoMuscle удалось преодолеть ограничения цикличности, используя микрочастицы из титана и никеля, также разработав программное обеспечение, управляющее сплавом в более щадящем режиме, потому актуальный цикл таких наномускулов превосходит 5 миллионов итераций. Микрочастицы соединялись в тонкие волокна поперечником около 50 микрон, а из их сплетался провод длиной несколько см, который мог поменять длину на 12-13% (очередной рекорд).

Вызывает почтение и сила устройства, получившего заглавие NanoMuscle Actuator. При равной массе наномускул развивает мощность в тыщу раз больше, чем людские мускулы, и в 4 000 раз больше, чем электродвигатель, и при всем этом скорость его срабатывания составляет всего 0,1 секунды. Но что в особенности принципиально, благодаря составной конструкции NanoMuscle Actuator не перебегает скачком из 1-го состояния в другое, а может двигаться плавненько с данной скоростью.

Наномускул, применяемый для приведения в движение глаз куколки, управлялся 8-битным процессором и имел напряжение питания 1,8 вольта. Его расчетная стоимость при промышленном производстве не превосходит 50 центов. Позже было представлено целое семейство игрушек такового рода с огромным числом передвигающихся частей. А скоро венчурная компания NanoMuscle была поглощена стремительно возрастающей китайской компанией Johnson Electric, которая практикуется на выпуске электронных приводов для самой разной техники - от DVD-проигрывателей до авто зеркал.

Приблизительно в это время в Техасском институте нанотехнолог Рэй Бахман (Ray Baughman) выдумал, как вынудить работать железные мускулы совсем без электричества - впрямую от хим горючего, что может понадобиться в системах с высочайшими требованиями к автономности. Трос из сплава с памятью формы он покрыл платиновым катализатором и стал обдувать консистенцией паров метанола, водорода и кислорода. В газовой среде из-за низкой концентрации реакция фактически не идет, а вот на покрытой катализатором поверхности выделялось достаточно много тепла. Увеличение температуры принуждало трос изменять длину, после этого поступление метанола прекращалось, и через некое время трос остывал и ворачивался к начальной длине. Может показаться, что это не очень успешная мысль, но ведь совсем не непременно, чтоб задействованные железные мускулы конкретно приводили в движение конечности либо колеса бота. Если таких мускул много и они работают попеременно, то привод оказывается полностью размеренным, а по совместительству он еще будет служить топливным элементом, вырабатывающим энергию для бортовой электроники.

Электроактивные полимеры

Но металлы с памятью формы - не единственное направление в разработке искусственных мускул. Доктор Йозеф Бар-Коэн (Yoseph Bar-Cohen) из Лаборатории реактивного движения NASA занимается созданием другой технологии - электроактивных полимеров (electroactive polymer - EAP) и уже получил на этом поприще 18 патентов и две медали NASA. К началу 2001 года его лаборатория могла повытрепываться 2-мя типами искусственных мускулов.

Какой-то из них - это полимерные ленты из углерода, кислорода и фтора. При подаче электронного тока рассредотачивание зарядов на поверхности таковой ленты изменяется, и она изгибается. Лаборатория доктора Бар-Коэна уже показывала журналистам обычный манипулятор из 4 лент, который позволяет обхватить маленький предмет и поднять его с земли (в дальнейшем подразумевается - с поверхности другой планетки). Разумеется, что сложность и обилие вероятных движений такового захвата зависят только от конфигурации полимерных лент. На видеозаписи движение схожих полимерных мускул смотрится совсем особенно: зажатые в тиски ленты вдруг начинают гнуться ввысь и вниз - поначалу медлительно, как лепестки цветка, но позже все резвее, все почаще, и вот их уже даже не видно - как крыльев комара в полете.

Устройства второго типа отличаются геометрией: пластинки EAP свернуты в трубочки наподобие листьев табака в сигаре. При подаче напряжения трубочки сжимаются и сдавливают эластичную сердцевину, заставляя ее растягиваться. В NASA уповают, что такие устройства могут быть применены в новеньком поколении планетоходов. К примеру, в одном из проектов предлагается заместо отправки одного-двух томных колесных аппаратов разбросать вокруг точки посадки сотки шариков с датчиками, адаптерами беспроводной сети и приводами на базе искусственных мускул второго типа, которые позволят шарикам перепрыгивать с места на место. Это даст возможность стремительно и дешево исследовать сходу целую местность. Кстати, современные модели EAP уже обеспечивают время срабатывания меньше 0,1 секунды, двукратное удлинение толкателя и силу, в 1 000 раз превосходящую его земной вес - полностью довольно для прыжков по дальним планеткам.

Игрушка с подвижными очами, которые приводятся в действие нитиноловыми мускулами с памятью формы, разработанными компанией NanoMuscle

Поединок с роботом

Два года вспять Бар-Коэн и несколько управляющих конкурирующих лабораторий отважились на маленькое шоу для популяризации собственных разработок - турнир по армрестлингу с искусственной рукою. В пресс-релизе событие предварялось таковой решительной фразой: «Если автоматическая рука одолеет, то она откроет двери для многих новых технологий в медицине, военном деле и даже промышленности развлечений».

Выбор конкурента, а поточнее соперницы, организаторы турнира предоставили телевизионщикам, и те предпочли старшеклассницу Панну Фелсен (Panna Felsen), которая основала в собственной школе в Сан-Диего клуб робототехники. Ей предстояло побороться с 3-мя искусственными руками по правилам, приближенным к традиционным. За их соблюдением наблюдали двое проф борцов-армрестлеров. Шоу удалось на славу, но оно малость остудило некие жаркие головы: ни одна рука не выстояла против непременно прекрасной, но хрупкой девицы.

Первым ее конкурентом стал манипулятор от американской компании Environmental Robots Incorporated с 2-мя искусственными мускулами. Поединок с роботом продлился 24 секунды. 2-ой и 3-ий конкуренты выдержали всего 4 и 3 секунды соответственно. Турнир выявил не считая чисто силовых заморочек, которые всегда можно решить наращиванием числа полимерных пластинок, и другие суровые недочеты аппаратов. К примеру, 3-я рука, сделанная в Политехническом институте штата Виргиния, использовала для активации полимера не электронные импульсы, а хим процессы. По воззрению ее разработчиков, такое решение намного более естественно для будущей реализации искусственных мускул. Но в процессе шоу полностью проявилась медлительность хим механизма активации: искусственная мускула начала работать только спустя несколько секунд после начала поединка, так что манипулятор потерпел поражение еще до того момента, как вышел на рабочий режим.

Детство чемпиона

Один из суровых соперников группы Бар-Коэна - компания Artificial Muscle, очень суровым образом понимающая свою цель: «Вывести на рынок твердотельные приводы, которые сделают с моторами и насосами то же, что полупроводники сделали с электрическими лампами». В качестве «твердотельных» приводов в Artificial Muscle занимаются все теми же электроактивными полимерами, но, чтоб отличаться от соперников, употребляют другую аббревиатуру - EPAM (Electroactive Polymer Artificial Muscle). По воззрению разработчиков, искусственные мускулы в дальнейшем затмят все другие механические приводы - электрические, пневматические, гидравлические и пьезоэлектрические - по всем характеристикам: цены, шуму, скорости, весу и удельной мощности.

Но то в дальнейшем, а пока однослойная полимерная искусственная мускула EPAM способна развивать усилие всего 0,5 ньютона (вес 50-граммовой гири). Правда, складывая 10-ки таких слоев, можно получить достаточно значимый эффект. Такие устройства уже на данный момент предлагаются, к примеру, производителям фотоаппаратов в качестве приводов для механизма автофокусировки.

Искусственные мускулы стремительно развиваются, но многие результаты уже укрыты за заавесью коммерческой потаенны, потому тяжело гласить о том, какие характеристики являются на сей день рекордными. Но, к примеру, способность выдерживать до 17 тыщ циклов сжатия-растяжения за секунду, заявленная Artificial Muscle, имеет высочайшие шансы оказаться рекордом быстродействия в мире искусственных мускул. Так же как и возможность полимерного материала изменять свою длину в 3,8 раза, достигнутая в лаборатории компании. Естественно, длительно такое «издевательство» над веществом длиться не может, и если требуется, чтоб полимерная мускула накрепко срабатывала миллионы раз, она не должна поменять свою длину более чем на 15%. По последней мере, при современном уровне развития этой отрасли.

Электромускульная броня

Но великодушные научные интересы профессионалов вроде доктора Йозефа Бар-Коэна не идут ни в какое сопоставление с объемами финансирования и техническими способностями лабораторий, которые не гнушаются работой на военных, вроде BAE Systems. Эта компания делает военные заказы фактически для всех на техническом уровне развитых стран мира, и потому информация о ее разработках возникает довольно нередко, невзирая на режим секретности.

Сейчас утечка произошла через маленькую британскую компанию H. P. White Laboratory, которая занимается в главном испытаниями на крепкость защитных систем: брони, пуленепробиваемых стекол, бронежилетов. По английским законам, информация о деятельности военных и мед компаний не может быть стопроцентно спрятана за секретностью патентов, потому по их отчетам можно косвенно проследить за развитием новых разработок в военной сфере. Сейчас исследователи предложили использовать принцип EAP для сотворения «брони со множественными напряжениями», которая представляет собой многослойную структуру из огромного числа полимерных лент с вкраплением наночастиц крепкой керамики и спецефическим образом нацеленных намагниченных частиц. Пуля, которая попадает в броню, вызывает исходную деформацию и приводит к резкому смещению намагниченных частиц. За счет индукции появляется маленький электронный импульс, заставляющий полимерные ленты сжиматься, резко повышая крепкость брони, так как частички инкрустированной бронекерамики имеют определенный силуэт, который позволяет им при сжатии сцепляться в сплошное покрытие.

Самое главное достоинство этой системы состоит в том, что наибольшая «плотность» брони появляется как раз в точке попадания пули, равномерно уменьшаясь по сторонам. В итоге кинетическая энергия пули умеренно распределяется практически по всей площади бронежилета. Броня вышла хоть и объемнее, но намного легче современных аналогов. Если ранее очередь в бронежилет из автоматической винтовки не убивала человека, но гарантированно выводила его из строя минимум на 10-ки минут, то, по подготовительным расчетам, новенькая защитная система не оставит даже гематом на теле бойца.

К истинному времени искусственные мышцы употребляются в главном в специфичных областях, обычно имеющих сильную муниципальную поддержку. Штатские и даже мед исследования приметно отстают от военных. Разработчики искусственных мускул кропотливо охраняют секреты их производства. К примеру, Artificial Muscle даже никому не реализует свои полимерные ленты - только готовые приводы на их базе. В некий момент положение оказалось настолько возмутительным, что группа Бар-Коэна просто взяла и опубликовала на собственном веб-сайте несколько нехитрых рецептов производства электроактивных полимеров, чтоб к работе могло подключиться больше независящих исследователей. 1-ые общедоступные устройства, использующие главные способности искусственных мускул, появятся уже в наиблежайшее десятилетие, и они имеют все шансы стать той революционной новацией, которая откроет дорогу к созданию дешевых функциональных самодвижущихся бытовых ботов. Ну и не только лишь ботов. По признанию доктора Бар-Коэна, разработка этой технологии очень припоминает изобретательский бум конца XIX - начала XX века: материалы вседоступны, опыты и исследования может поставить хоть какой студент со светлой головой, а валютные издержки малы.

Так что осталось запастись терпением и через десяток лет хорошо перетряхнуть содержимое книжной полки с научной фантастикой, чтоб избавиться от безвыходно устаревших с технической точки зрения книжек.

Большие мускулы - результат долгих лет усердных тренировок и литров пролитого пота. Но есть люди, которые считают, что могут добиться того же внешнего вида, что профессиональные атлеты, но гораздо быстрее и проще. Это действительно возможно, вопрос только в том, какой ценой?

Силиконовые мышцы

Первый способ обзавестись огромными мышцами без посещения тренажерного зала - лечь под нож хирурга. Современная хирургия дошла до того, что увеличивать можно уже не только грудь и губы, но и любую другую часть тела. И теперь не только женщины, но и мужчины активно вставляют себе силиконовые импланты, чтобы выглядеть привлекательнее.

Есть два способа вживления импланта - над мышцей и под мышцу. Первый вариант более простой, дешевый и не такой травмоопасный, но проблема в том, что такая мышца будет выглядеть неестественно и будет мягкой на ощупь. Во втором случае существующие мышцы буквально вскрываются и имплант засовывают под них, после чего мышечные ткани сшивают обратно. Такая операция очень сложная и опасная, а восстановление после нее займет долгие месяцы, зато результат будет качественнее - наличие импланта не будет заметно и мышца сохранит присущую ей твердость.

Вживление импланта - огромный риск, ведь тело может просто не принять его или ответить серьезной аллергической реакцией. Еще хуже могут быть последствия в результате повреждения импланта - можно вообще лишиться той части тела, куда была вживлена искусственная мышца.

Джастин Джедлика, Силиконовый Кен

Пожалуй, самым известным примером мужской пластической хирургии является американец Джастин Джедлика, он же Силиконовый Кен. Одержимый идеей быть похожим на друга куклы Барби, он перенес около 90 пластических операций общей стоимостью более 100 тысяч долларов. Больше всего изменений, конечно, претерпело лицо парня, однако и над рельефным телом постарались хирурги, вставив Джастину силиконовые импланты в грудь, руки, плечи и живот.

Пуш-ап

Да-да, мужской пуш-ап тоже существует. Он надевается под майку, застегивается на спине и имитирует рельефную грудь и пресс. Изобрели нехитрый заменитель мускулатуры в Японии, и в Азии он быстро приобрел популярность.

Синтол

Если к пластической хирургии мужчины пока обращаются редко, то еще более опасные химические способы искусственного увеличения мускулатуры применяются, к сожалению, гораздо чаще. Самый известный препарат - синтол, изобретенный в 1990-х годах и быстро ставший скандально известным. Синтол не обладает анаболическими свойствами, он увеличивает объем мышц за счет всасывания масел в мышечные волокна. То есть на самом деле мышцы не становятся больше, они просто набухают.

Выводится из организма синтол очень долго - до 5 лет. Кроме того, у него огромное количество побочных эффектов, многие из которых крайне опасны и грозят спортсменам тяжелыми последствиями, вплоть до летального исхода. Так, попадание масла в кровь может вызвать жировую эмболию, которая в свою очередь грозит инфарктом или инсультом. Среди других возможных проблем - различные инфекции, повреждения нервов, образование цист и язв.

Интернет пестрит многочисленными примерами «жертв» синтола, а легенды бодибилдинга активно выступают против таких методов увеличения мышц. «Мое отношение к синтолу такое же, как и ко всем имплантатам. Это попытка улучшить телосложение косметическими методами, избегая тяжелой работы, делающей бодибилдинг настоящим спортом», — заявлял шестикратный «Мистер Олимпия» Дориан Ятс.

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: