В Швейцарской Федеральной лаборатории материаловедения, сертификации и технологий (Empa) печатают искусственные мышцы, которые могут сравниться с настоящими. Для этого исследователям пришлось решить непреодолимые, казалось бы, проблемы.
Искусственные мышцы не только приводят роботов в движение — однажды они смогут поддерживать людей на работе или при ходьбе, а также заменять поврежденную мышечную ткань. Однако создание искусственных мышц, не уступающих настоящим, остается сложной технической задачей: они должны быть не только мощными, но также эластичными и мягкими.
В основе искусственной мускулатуры лежат актуаторы — компоненты, которые преобразуют электрические импульсы в действие. Этим звучным термином называется любое исполнительное устройство, которое приходит в движение по нажатию кнопки. Встречаются эти механизмы повсюду — дома, в автомобиле или на высокотехнологичных промышленных объектах — и пока что нисколько на мышцы не похожи.
Взаимоисключающие свойства
Команда исследователей из лаборатории функциональных полимеров Empa работает над актуаторами из мягких материалов. Так называемые диэлектрические эластичные актуаторы состоят из двух различных материалов на основе силикона — проводящего и непроводящего — переплетенных слоями.
«Это немного похоже на переплетение пальцев», — объясняет исследователь Empa Патрик Даннер.
Если к электродам приложить электрическое напряжение, актуатор сокращается, как мышца. Когда напряжение отключается, он возвращается в исходное положение.
3D-печать такой структуры — непростая задача, признает Даннер. Несмотря на диаметрально противоположные электрические свойства, два мягких материала должны вести себя очень похоже во время печати. Они не должны смешиваться, но при этом должны прочно соединяться в готовом изделии. Напечатанные «мышцы» должны быть как можно более мягкими, чтобы электрический стимул мог вызвать необходимую деформацию.
Кроме того, они должны соответствовать требованиям, предъявляемым ко всем материалам для 3D-печати: разжижаться под давлением, чтобы их можно было выдавливать из сопла принтера, но сразу после этого становиться достаточно вязкими, чтобы сохранять напечатанную форму.
«Эти свойства часто противоречат друг другу, — говорит Даннер. — Если вы оптимизируете одно из них, три других изменяются... обычно в худшую сторону».
От VR-перчатки до бьющегося сердца
Сотрудничество с Швейцарской высшей технической школой Цюриха (ETH Zurich) помогло эти казавшиеся непреодолимыми противоречия разрешить. Результаты совместной работы описаны в журнале Advanced Materials Technologies.
В ETH Zurich создали специальные сопла для 3D-принтера, а в Empa — чернила для печати. Конечная цель коллаборации — разработка перчатки, которая делает виртуальные миры осязаемыми: искусственные мышцы будут имитировать сопротивление при захвате объектов.
Однако потенциальных применений у мягких актуаторов гораздо больше. Они легкие, бесшумные и, благодаря новому процессу 3D-печати, им возможно придать любую необходимую форму. Они могут заменить традиционные актуаторы в автомобилях, машинах и робототехнике, а если развитие продвинется еще дальше — то могут быть использованы в медицинских целях.
Изобретатели уже научились печатать не только сложные формы, но и длинные эластичные волокна.
«Если нам удастся сделать их немного тоньше, мы сможем приблизиться к тому, как работают настоящие мышечные волокна», — надеется профессор Дорина Оприс из ETH Zurich.
По ее прогнозам, в будущем можно будет напечатать целое сердце из таких волокон. Однако до реализации такой мечты еще предстоит проделать большую работу.
Разработаны сильные, но мягкие искусственные магнитные мышцы
На 3D-принтере напечатали пневматические «искусственные мышцы»