Искусственные мышцы: Искусственные мышцы обогнали по мощности настоящие

Искусственные мышцы обогнали по мощности настоящие

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.

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.

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, робогусеница, основную часть которой занимает полимерная пена, покрытая силиконом, а также мягкие вакуумные актуаторы из множества полых ячеек. Другие используют для своей работы нагревание: таким образом работают мышцы на основе нейлоновой лески и недавно представленный материал, наполненный пузырьками с этанолом, который при нагревании превращается в газ и расширяется. Помимо этого недавно был представлен актуатор 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 сделали мышцы из тонкой пленки из кожицы лука, которая сокращается под действием электричества.

Григорий Копиев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Искусственные мышцы из протеина | Центр Дикуля

Искусственные мышцы из протеина | Центр Дикуля

Для улучшения работы сайта и его взаимодействия с пользователями мы используем файлы cookie. Продолжая работу с сайтом, Вы разрешаете использование cookie-файлов. Вы всегда можете отключить файлы cookie в настройках Вашего браузера.

  • Главная
  • Интервью и статьи
  • Искусственные мышцы из протеина

Искусственные мышцы из протеина

Д-ру Штефану Шиллеру и д-ру Матиас Хубер из Университета Фрайбурга удалось разработать искусственные мышцы исключительно на основе натуральных белков. Данные работы были представлены в журнале Advanced Intelligent Systems. В исследование было показано, что движения искусственных мышц можно контролировать с помощью изменений температуры и pH. Движения мышцы вызываются химической реакцией с потреблением молекулярной энергии. Созданный учеными материал является прототипом, но наличие высокой биосовместимости материала и возможность адаптации состава для соответствия структуре конкретной ткани могут иметь большой потенциал в протезирование, в реконструктивной медицине, мягкой робототехники.

В предыдущих исследованиях ученые использовали натуральные белки для создания искусственной мышечной ткани и встраивали их в полимеры или крошечные молекулярные системы. Но пока, не удавалось создать синтетическую мышечную ткань полностью из биологического материала и совершающую движение самостоятельно, с помощью химической энергии.

Команда ученых из Фрайбурга использовали эластин, волокнистый белок, который придает эластичность сосудам и коже. На основе структуры этого белка ученые создали два эластиноподобных белка, один из которых реагирует на изменения температуру, а другой на колебания рН. Ученые соединили два белка для того, чтобы сформировать двухслойный материал с помощью фотохимического перекрестного связывания. Использованный процесс позволяет гибко формировать материал и задавать направление его движения.

Исследователи смогли вызывать ритмические сокращения с помощью сульфита натрия, который был использован как химический источник энергии. Колебательная химическая реакция, в которой происходит циклическое изменение рН, и дополнительная энергия трансформируется в механическую энергию. Таким образом, исследователи смогли заставить искусственную мышцу сокращаться автономно. Также ученым удалось включать и выключать сокращения с помощью изменения температуры: при температуре 20 градусов начиналась колебательная химическая реакция и материал начинал совершать ритмичные движения. Кроме того, с помощью других стимулов можно было сбрасывать запрограммированные определенные состояния материала. Таким образом, ученым удалось разработать простую систему для реализации обучения и забывания на материальном уровне.

Запись на прием

Записаться на прием в режиме реального времени

Записаться

Вопрос-ответ

На вопросы отвечают наши ведущие специалисты

Задать вопрос

Энциклопедия

Вся информация о заболеваниях позвоночника

Перейти

искусственных «мышц» развивают мощную тяговую силу | Новости Массачусетского технологического института

По мере того, как растение огурца растет, оно прорастает туго закрученными усами, которые ищут опоры, чтобы тянуть растение вверх. Это гарантирует, что растение получит как можно больше солнечного света. Теперь исследователи из Массачусетского технологического института нашли способ имитировать этот механизм скручивания и натяжения для производства сокращающихся волокон, которые можно использовать в качестве искусственных мышц для роботов, протезов конечностей или других механических и биомедицинских приложений.

Хотя для создания искусственных мышц использовалось множество различных подходов, включая гидравлические системы, серводвигатели, металлы с памятью формы и полимеры, реагирующие на стимулы, все они имеют ограничения, включая большой вес или медленное время отклика. Исследователи говорят, что новая система на основе волокна, напротив, чрезвычайно легкая и может реагировать очень быстро. О результатах сообщается сегодня в журнале Science .

Новые волокна были разработаны постдоком Массачусетского технологического института Мехметом Каником и аспирантом Массачусетского технологического института Сирмой Оргюч в сотрудничестве с профессорами Полиной Аникеевой, Йоэлем Финком, Анантой Чандракасан и К. Джемом Ташаном, а также пятью другими, с использованием техники вытягивания волокон для объединения двух разнородных полимеров в единую нить волокна.

Ключом к процессу является соединение двух материалов с очень разными коэффициентами теплового расширения, то есть они имеют разную скорость расширения при нагревании. Тот же принцип используется во многих термостатах, например, с использованием биметаллической пластины для измерения температуры. По мере того, как соединяемый материал нагревается, сторона, которая хочет расширяться быстрее, удерживается другим материалом. В результате склеенный материал скручивается, изгибаясь в сторону, которая расширяется медленнее.

Авторы и права: Предоставлено исследователями его первоначальная длина естественным образом образует тугую спираль, очень похожую на усики, которые производят огурцы. Но то, что произошло дальше, на самом деле стало неожиданностью, когда исследователи впервые столкнулись с этим. «В этом было много случайности, — вспоминает Аникеева.

Как только Каник впервые поднял свернутое волокно, только от тепла его руки волокно свернулось еще плотнее. Следуя этому наблюдению, он обнаружил, что даже небольшое повышение температуры может привести к тому, что катушка сожмется, создавая удивительно сильное тяговое усилие. Затем, как только температура снижалась, волокно возвращалось к своей первоначальной длине. В ходе более поздних испытаний команда показала, что этот процесс сжатия и расширения можно повторить 10 000 раз, «и он все еще работает», — говорит Аникеева.

Предоставлено исследователями

Одной из причин такого долголетия, по ее словам, является то, что «все работает в очень умеренных условиях», включая низкие температуры активации. Всего на 1 градус Цельсия может быть достаточно, чтобы начать сокращение волокон.

Волокна могут иметь широкий диапазон размеров, от нескольких микрометров (миллионных долей метра) до нескольких миллиметров (тысячных долей метра) в ширину, и их можно легко производить партиями длиной до сотен метров. Испытания показали, что одно волокно способно поднимать грузы, в 650 раз превышающие его собственный вес. Для этих экспериментов с отдельными волокнами Оргюч и Каник разработали специальные миниатюрные испытательные установки.

Предоставлено исследователями

Степень натяжения, возникающая при нагревании волокна, может быть «запрограммирована», путем определения степени первоначального растяжения волокна. Это позволяет точно настроить материал на величину необходимой силы и величину изменения температуры, необходимую для запуска этой силы.

Волокна изготавливаются с использованием системы вытягивания волокон, что позволяет включать в само волокно другие компоненты. Вытягивание волокна осуществляется путем создания увеличенной версии материала, называемой заготовкой, которую затем нагревают до определенной температуры, при которой материал становится вязким. Затем его можно вытягивать, как вытягивание ириски, чтобы создать волокно, которое сохраняет свою внутреннюю структуру, но составляет небольшую часть ширины преформы.

В целях тестирования исследователи покрыли волокна сеткой из проводящих нанопроволок. Эти сетки можно использовать в качестве датчиков для точного определения натяжения волокна. В будущем эти волокна могут также включать в себя нагревательные элементы, такие как оптические волокна или электроды, обеспечивающие способ внутреннего нагрева без необходимости полагаться на какой-либо внешний источник тепла для активации сокращения «мышцы».

Такие волокна могут найти применение в качестве приводов в роботизированных руках, ногах или захватах, а также в протезах конечностей, где их малый вес и малое время отклика могут обеспечить значительное преимущество.

Некоторые современные протезы могут весить до 30 фунтов, при этом большая часть веса приходится на приводы, которые часто бывают пневматическими или гидравлическими; Таким образом, более легкие приводы могут значительно облегчить жизнь тем, кто пользуется протезами. Такие волокна также могут найти применение в крошечных биомедицинских устройствах, таких как медицинский робот, который работает, проникая в артерию и затем активируясь», — предполагает Аникеева. «У нас есть время активации порядка десятков миллисекунд до секунд», — говорит она, в зависимости от размеров.

Чтобы обеспечить большую силу для подъема более тяжелых грузов, волокна можно связать вместе, подобно тому, как мышечные волокна связаны в теле. Команда успешно протестировала пучки из 100 волокон. В процессе вытягивания волокна датчики также могут быть встроены в волокна для обеспечения обратной связи об условиях, с которыми они сталкиваются, например, в протезе конечности. Оргюч говорит, что связанные мышечные волокна с замкнутым механизмом обратной связи могут найти применение в роботизированных системах, где требуется автоматизированный и точный контроль.

Каник говорит, что возможности для материалов этого типа практически безграничны, потому что почти любая комбинация двух материалов с разной степенью теплового расширения может работать, оставляя обширную область возможных комбинаций для исследования. Он добавляет, что это новое открытие было похоже на открытие нового окна только для того, чтобы увидеть «кучу других окон», ожидающих открытия.

«Сила этой работы в ее простоте, — говорит он.

В команду также входили аспирант Массачусетского технологического института Георгиос Варнавидес, постдокторант Джинву Ким и студенты бакалавриата Томас Бенавидес, Дани Гонсалес и Тимоти Акинтлио. Работа была поддержана Национальным институтом неврологических расстройств и инсульта и Национальным научным фондом.

Поделитесь этой новостной статьей:

Упоминания в прессе

Scientific American

Исследователи Массачусетского технологического института разработали искусственные мышцы, которые могут растягиваться более чем на 1000 процентов от своего размера и поднимать в 650 раз больше своего веса, сообщает Сид Перкинс для Scientific American . Новые волокна могут найти применение в робототехнике и протезах, объясняет Перкинс, и «работают больше как настоящие мышцы: они тянут или поднимают предметы».

Полная статья через Scientific American →

Ссылки по теме

  • Видео: Программируемая деформация искусственной мышцы на основе волокон
  • Статья: «Программируемая деформация искусственной мышцы на основе волокон»
  • Полина Аникеева
  • Yoel Fink 90 Чандракасан
  • Джем Ташан
  • Научно-исследовательская лаборатория электроники
  • Институт исследований мозга Макговерна
  • Департамент материаловедения и инженерии
  • Кафедра мозга и когнитивных наук
  • Кафедра машиностроения
  • Инженерная школа

Искусственные мышцы, сделанные из человеческих белков, улучшают имплантаты

Робототехника

Просмотр 1 изображения

Исследователи разработали новый тип искусственных мышц, полностью сделанных из натуральных белков. Реакция на изменения в окружающей среде позволяет мышце сгибаться по требованию, что может сделать ее полезной для имплантатов, протезов или робототехники.

Какой бы многообещающей ни была технология искусственных мышц, большую часть времени они все еще слишком искусственны, часто из пластика, нейлона, каучука, восковых углеродных нанотрубок и тому подобного. Это может сделать их подходящими для роботов, но натуральные белки могут сделать их более совместимыми для использования внутри человеческого тела.

Для нового исследования исследователи из Фрайбургского университета создали искусственные мышцы, полностью «биологические». Они сделаны из эластина, природного белка, который придает тканям, таким как кожа и кровеносные сосуды, эластичность. С этой отправной точки команда создала два варианта белка, которые реагируют на разные раздражители — колебания температуры и кислотности. Затем они были объединены слоями, чтобы создать мышцу, которая будет сгибаться в одном направлении в ответ на один раздражитель и в другом направлении, когда применяется другой раздражитель.

Конечным результатом стала искусственная мышца, питаемая сульфитом натрия, которую можно было заставить двигаться ритмично благодаря осциллирующей химической реакции. Этот процесс можно запустить, установив температуру на 20 ° C (68 ° F), тогда изменения в балансе pH заставят мышцу сокращаться вперед и назад. Цикл можно снова отключить, изменив температуру. Это делает мышцы достаточно программируемыми, изменяя их структуру, так что их движения могут быть заданы в определенном направлении в ответ на определенный стимул.

Наряду с потенциальными применениями в мягкой робототехнике или протезировании, команда говорит, что этот новый тип искусственной мышцы является биосовместимым, поэтому его можно подобрать к конкретным тканям и использовать в организме для имплантатов или реконструктивной медицины.

«Поскольку он получен из встречающегося в природе белка эластина и производится нами с помощью биотехнологических средств, наш материал отличается высокой устойчивостью, которая также актуальна для технических применений», — сказал доктор Стефан Шиллер, корреспондент исследования.