Скрученные волокна достигают удвоенной плотности энергии, чем естественные мышцы.
В каждом человеке имеется 656 мышц, которые позволяют ему ходить, жевать или просто двигаться. В будущем роботы могут также иметь искусственные мышцы и заменять гидравлические модули или электродвигатели, используемые сегодня. Все прототипы основаны на скрученных волокнах из разных материалов и могут питаться от тепла, электрических импульсов или паров спирта. Эти искусственные мышцы могут иногда оказывать в сорок раз больше сил, чем мышцы человека, с точки зрения их веса.
Ученые сделали искусственные мышцы из сэндвича двух материалов. Они положили два разных пластика - полиэтилен и олефиновый сополимер - друг на друга и вытянула всего около одной пятой миллиметра тонких, так называемых биморфных волокон. Без растягивающей нагрузки они спонтанно скручиваются в спираль. Благодаря сушке горячим воздухом, нагретой примерно на десять градусов, это волокно быстро сокращается. Ответственным за это было значительное различие теплового расширения двух пластиков. При соединении одно волокно может легко поднять один грамм веса. Это соответствует примерно 650 раз больше веса волокна.
Теперь исследователи смогли еще больше укрепить это с помощью скрученных волокон и активной оболочки. Значительно более сильные, чем человеческие мышцы, их прототипы были сделаны из нейлона, шелка или бамбуковых волокон. Ответственным за это была оболочка из различных материалов, которые реагировали на электричество, тепло или пары этанола. Это пальто придает мышцам более высокую плотность энергии, поэтому они могут выполнять большую работу каждый цикл.
Таким образом, оболочка из углеродных нанотрубок расширяется при подаче электрического напряжения до четырех вольт. Этот отек заставил скрученное волокно слегка повернуться назад и удлиниться. Без напряжения она снова взяла себя в руки. Такое же обратимое удлинение и сжатие также вызвало покрытие из пластичного полиуретана. Тем не менее, он набухал при нагревании до 97 градусов и сжался при охлаждении. Оболочка из специального сополимера - в сочетании с полиэтиленоксидом, тетрафторэтиленом и виниловым эфиром сульфонилфторида - с другой стороны, реагировала в атмосфере паров этанола с желаемым разбуханием. Самая мощная мышца из нейлонового волокна, покрытого углеродными нанотрубками, достигла мощности притяжения чуть менее двух ватт на грамм-сорок раз, чем у мышц человека. В первых попытках он поднял 21-граммовый вес несколько раз подряд.
Жестких для использования в роботах или протезах конечностей, таких искусственных мышц - работающих от тепла или электрического напряжения - пока нет. Объединенные в сотни или тысячи, они могли собрать достаточно силы тяги. Они также должны доказать свою стабильность в течение тысяч циклов сжатия и расширения.
Искусственная мышца луковой кожи.
При подаче питания многие материалы меняют форму и могут использоваться для компактных серводвигателей. Исследователи обнаружили, что биологические клетки также подходят для таких искусственных мышц. Ученые изобрели модуль кожицы лука, который может изгибаться в разные стороны в зависимости от приложенного напряжения.
Одноклеточная структура может двигаться в разных направлениях, в отличие от других искусственных мышц. Для этого исследователи сняли почти прозрачную кожу под сухой луковой шкурой. В кислотной ванне они вымывают стабилизирующую клетчатку вокруг клеток кожи лука. Оставшийся клеточный слой консервируют с помощью сублимационной сушилки.
Поверх этого слоя клеток ученые испаряли тонкие пластины золота с обеих сторон. Сверху этот электропроводящий слой составлял всего 24 миллионных миллиметра, а снизу примерно в два раза толще. Если к этим слоям золота прикладывалось электрическое напряжение до 50 вольт, стенки ячеек, которые ранее были выгнуты наружу, сглаживались. Таким образом, вся искусственная мышца была немного длиннее и согнута. Однако, когда ученые увеличили напряжение до 1000 вольт, стенки ячеек стали более выпуклыми внутрь из-за действующих на них электростатических сил. Это сделало мышцы немного короче и согнуло до миллиметра.
После этих предварительных экспериментов исследователи сделали пинцет из двух луковых мышц кожи. При этом они смогли схватить и удержать небольшой хлопковый пух, который весил около одной десятой миллиграмма. Силы, действующие на деформацию мышцы, были оценены примерно в 20 микроньютонов при 1000 вольт.
По сравнению с искусственными мышцами, например, пьезоэлектрическими материалами, движения и эффективные силы кожуры лука незначительны. Преимущество, однако, заключается в способности сгибать мышцы при разных напряжениях в разных направлениях. Исследователи знают, что их разработка все еще далека от технического применения. Но теперь они пытаются добиться больших движений с помощью оптимизированных и, возможно, многослойных мышц луковой кожи со значительно более низким напряжением.
