Международная группа ученых опубликовала обзор последних достижений в области волоконных искусственных мышц. Эти устройства имитируют структуру биологических мышц и уже демонстрируют сильные результаты. Некоторые образцы создают напряжение в 28,4 мегапаскаля, что более чем в 100 раз превышает показатели скелетных мышц млекопитающих.
Как работают биологические мышцы. Скелетные мышцы млекопитающих состоят из пучков мышечных волокон, каждое из которых содержит множество миофибрилл — тонких нитей из белков актина и миозина. При получении нервного сигнала головки миозина захватывают актиновые нити и тянут их, укорачивая мышечное волокно. Этот процесс требует энергии АТФ и ионов кальция. Максимальное изометрическое напряжение мышц человека составляет около 0,35 мегапаскаля. Искусственные системы достигают подобных результатов совершенно иными путями — через физические и химические изменения материалов без биохимических реакций.
Волоконные искусственные мышцы отличаются от других типов искусственных приводов — пневматических, электроактивных полимеров или материалов с памятью формы. Эти приводы требуют сложных систем управления, имеют ограниченный диапазон движений или слишком громоздки. Волоконная конструкция обеспечивает высокую гибкость, адаптивность и множество степеней свободы, позволяя воспроизводить изгибающие, крутящие, растягивающие и изометрические движения.
«Вдохновленные природными механизмами и биологическими структурами, волоконные искусственные мышцы активируются прежде всего за счет изменений внутренней структуры волокон в ответ на внешние стимулы, подобно тому как мелкие миофибриллы создают основу для масштабного сокращения», — поясняют авторы обзора. Обзор опубликован в журнале Nature Reviews Materials.
Активация происходит под воздействием света, электрических сигналов, тепла, химических веществ или растворителей через механизмы молекулярной переориентации, объемного расширения и изменения расстояния между волокнами.
Достижения и применение
Биологические мышцы работают преимущественно на растяжение, но искусственные волоконные мышцы часто используют крутящий момент для создания различных типов движений. Скрученные волокна, использующие для активации пары жидкостей, достигают при набухании скорости раскручивания до 11 500 оборотов в минуту. Спиральные волокна демонстрируют растяжение до 8600 процентов. Изгибающие системы с лазерным управлением способны к множественным разнонаправленным движениям.
Применения охватывают медицину (устройства для закрытия ран, реабилитационные костюмы, микрохирургические инструменты), мягкую робототехнику и умные текстильные материалы. Но сложность производства, стоимость материалов и долговечность пока ограничивают массовое внедрение. Исследователи работают над интеграцией функций самовосстановления, сенсорики и получения энергии, а также над использованием устойчивых материалов вроде хлопковых или лотосовых волокон.