Искусственные мышцы википедия: HTTP 429 — too many requests, слишком много запросов

в 30 раз сильнее, чем человеческие мышцы! / Хабр

Aurora

Научно-популярное

Исследователи Университета штата Техас в Далласе под руководством Рея Богмана(Ray Baughman) продемонстрировали принципиально новый тип искусственных мышц, которые могут работать при экстремальных температурах — ниже температуры жидкого азота (-196° С) и выше температуры плавления железа (1538° С).

Эти новые искусственные мышцы могут растягиваться в 10 раз больше, чем естественные мышцы и в 1000 раз быстрее естественных мышц. В другом направлении, при сжатии, они могут генерировать в тридцать раз большую силу чем естественные мышцы, имеющие такую же площадь поперечного сечения. Природные мышцы могут сжиматься на 20 процентов в секунду, новые искусственные мышцы могут сжиматься в среднем на 30 тысяч процентов в секунду!


Эти искусственные мускулы — листы аэрогеля из углеродной нанотрубки, созданные по новой твердотельной технологии разработанной в университете. Иногда называемый замороженный дым(frozen smoke), аэрогель представляет собой твердотельный материал низкой плотности, полученный из геля, в котором жидкая составляющая была заменена газом. Аэрогель состоит в основном из воздуха. Отправной материал представляет собой массив вертикально выровненных углеродных нанотрубок изготовленых путем разложения углеводородов. Ввиду особого расположения этих нанотрубок, которые называют лесом (они похожи на бамбуковый лес), углеродные нанотрубки могут быть сформированы в листы. Листы такой низкой плотности, что унция будет охватывать один акр!

(UPD: 1 унция ≈ 30 граммам(28,3), 1 акр ≈ 4 тыс. м² (≈две трети футбольного поля)).

При приложении напряжения к листам аэрогеля углеродной нанотрубки, нанотрубки отталкиваются друг от друга так, как по сути работает мышца. У этих прозрачных листов весьма необычные свойства, которые имеют важное значение для мышечной работы. При всем при том что они по плотности как воздух, в одном направлении, они имеют более высокую удельную прочность(прочность/плотность), чем стальная пластина. В другом же направлении они обеспечивают растяжимость резины.

Богман с коллегами даже придумали формулировку: Прочнее стали, легкие как воздух и более гибкие чем резина!

Чем не мышцы 21-го века?! =)

via The University of Texas and Dallas, Physorg, Robots.net, Wired

Теги:

  • нанотехнологии
  • искусственные мышцы

Хабы:

  • Научно-популярное

Всего голосов 93: ↑87 и ↓6 +81

Просмотры

2.2K

Комментарии
238

Утренняя заря
@Aurora

Пользователь

Комментарии
Комментарии 238

Инженеры разработали новый материал для создания искусственных мышц роботов — Газета.Ru

Инженеры разработали новый материал для создания искусственных мышц роботов — Газета.Ru | Новости

close

100%

Американские ученые создали материал, из которого можно создать искусственные мышцы для роботов. Статья об этом опубликована в Nature Nanotechnology.

«Актуатор – это любой материал, который меняется или деформируется под воздействием внешнего стимула, часть механизма, которая сокращается, сгибается или расширяется. Для нужд робототехники необходимо разработать мягкие и легкие версии этих материалов, чтобы они работали как искусственные мышцы. В ходе нашей работы мы нашли один из способов сделать это», – говорит Роберт Хики из Университета штата Пенсильвания.

Исследователи разработали процесс производства волокнистых актуаторов, похожих по структуре на мышечные волокна. Они превосходят другие современные приводы по ряду параметров, в том числе по эффективности, амплитуде движений и механическим свойствам.

Волокна материала сделаны из гидрогеля, полимерного материала, содержащего большое количество воды. Ученые обнаружили, что эти волокна могут растягиваться в пять раз при намокании и фиксировать новую форму при сушке. При добавлении воды или тепла материал вновь возвращается к изначальной длине, что потенциально позволит сделать из него привод. Этот цикл можно повторять множество раз без снижения производительности.

Авторы считают этот материал перспективным для создания мышц, поскольку он восприимчив к сразу двум стимулам – теплу и влаге.

Подписывайтесь на «Газету.Ru» в Новостях, Дзен и Telegram.
Чтобы сообщить об ошибке, выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

Новости

Дзен

Telegram

Георгий Бовт

Не догонишь – не похоронишь

О том, как мы хотели перегнать Америку, но потом передумали

Алексей Мухин

Хромая утка по-пекински

О возможном конфликте США и Китая

Мария Дегтерева

Там чудеса, там леший бродит

О бюрократии и чиновничестве в России

Иван Глушков

Холодное блюдо

О гастрономическом путешествии на Таймыр

Дмитрий Самойлов

Праздник за праздником

О Дне народного единства и Дне Октябрьской революции

Найдена ошибка?

Закрыть

Спасибо за ваше сообщение, мы скоро все поправим.

Продолжить чтение

Материаловедение. Искусственные мышцы и их эффективность

спросил

Изменено
2 года, 2 месяца назад

Просмотрено
3к раз

$\begingroup$

Большинство искусственных мышц основаны либо на пневматической силе, либо на нагревании нейлоновых волокон, чтобы они сокращались. Эти методы потребляют больше энергии, чем можно использовать.

Точно так же, в первые дни, когда лампочки, которые производили фотоны, нагревая нить накала (что также требует значительной энергии), они были заменены энергосберегающими светоизлучающими диодами.

Существуют ли перспективные материалы, которые могут сделать то же самое для искусственных мышц, преобразовывая электрическую энергию непосредственно в приведение в действие, а не в тепло, причем приведение в действие является побочным продуктом самого тепла?

  • материаловедение

$\endgroup$

3

$\begingroup$

Приводы Hasel могут контактировать и быстро расширяться, а также использовать растительное масло и пластик. Вот видео как работает https://youtu.be/Yi8tUJowAuo

$\endgroup$

2

$\begingroup$

Этот вопрос больше касается инженерии, чем моделирования материалов, но я постараюсь дать частичный ответ, а если нет, пусть решают другие. Вы можете получить лучший ответ на Physics.SE.

Моей первой мыслью было бы, что гидравлическая энергия является прямым улучшением по сравнению с пневматической, поскольку на сжатие воздуха тратится меньше энергии. Но если мы хотим перейти к мышлению, больше основанному на материалах, вы также можете взглянуть на пьезоэлектрические приводы.

Пьезоэлектрический привод представляет собой линейный (обычно) двигатель, который работает, подавая напряжение на материал, который может сжиматься или расширяться в ответ на напряжение. Я полагаю, что это можно в какой-то степени смоделировать с помощью вычислительных методов, таких как DFT. Эти типы двигателей в настоящее время уже используются в некоторых приложениях, но не так, как мышечные волокна. Они используются для действительно точного управления небольшими движениями (в диапазоне нм).

Поскольку эти материалы на самом деле работают аналогично мышце, я думаю, что это «светодиоды» мышечного волокна. Быстрый поиск в Google дает различный коэффициент полезного действия для электрической и механической работы, но кажется, что он где-то около 25%. Конечно, это выше, чем необходимость постоянно нагревать, например, нейлоновое волокно, но я не уверен. Это также может иметь много возможностей для улучшения, но я не эксперт в этой теме.

$\endgroup$

3

$\begingroup$

Фотохимические «мышцы»

Все двигатели требуют энергии, и вы упомянули, что тепло может быть проблематичным из-за потери тепла. Так что вас может заинтересовать фотохимия. Эти реакции можно сделать так, чтобы они были высокоэффективными и направленными в отношении фотонов (т.е. энергии).

Feringa Motors

Перспективной технологией для создания искусственных мышц являются технологии, основанные на управляемых светом молекулярных двигателях, таких как роторные двигатели Feringa. Например, мотор Феринга можно использовать для получения «Макроскопического сжатия геля, вызванного интегрированным движением молекулярных моторов, управляемых светом» 9. 0060 [1] . Примерно так работает мышечное волокно. По сути, есть три компонента: а) двигатель, который вращается в одном направлении с помощью света и тепла, б) две полимерные нити, соединенные с противоположными концами двигателя, и в) модулятор, который связывает конец полимера. Поэтому, когда двигатель вращается, полимерные нити наматываются друг на друга и сжимаются. Кроме того, когда вы хотите разжать/развернуть нити, вы открываете модулятор с другой длиной волны света.

Оптомеханические устройства

Другим прекрасным примером являются «оптомеханические устройства» , которые могут создавать макроскопические движения. Мой фаворит — «Фотоиндуцированный пилинг кристаллов» [2]. См. это

Фотоиндуцированный пилинг молекулярного кристалла в Chemistry World

Еще один автор оптомеханики — профессор Гарсия-Гарибай, он интересовался кристаллическими искусственными мышцами. Например, в ссылке [3] — это изображение, похожее на это, поэтому оно заслуживает ссылки.

Rotaxane Shuttle

Наконец, ротаксан представляет собой механически взаимосвязанную молекулярную структуру, которую можно использовать для создания макроскопических движений, подобных мышцам. Обычно они действуют путем изменения состояний протонирования. Но это действие может быть выполнено либо химическими, либо фотохимическими входами (например, фотокислотой!)

Работа молекулярного челнока в Википедии

Ссылки:

  1. Ке, К. Часовой механизм с питанием от света. Нац. нанотехнологии. 2017, 12 (6), 504–506. https://doi.org/10.1038/nnano.2017.44.
  2. Тонг, Ф.; Аль-Хайдар, М.; Чжу, Л.; Аль-Кайси, Р. О.; Бардин, С.Дж. Фотоиндуцированное отшелушивание молекулярных кристаллов. хим. коммун. 2019, 55 (26), 3709–3712. https://doi.org/10.1039/c8cc10051a.
  3. Фогельсберг, Калифорния; Гарсия-Гарибай, Массачусетс. Кристаллические молекулярные машины: функция, фазовый порядок, размерность и состав. хим. соц. 2012, 41 (5), 1892–1910. https://doi.org/10.1039/c1cs15197e.

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Исследовательская группа под руководством профессора Рэя Боумана из Техасского университета в Далласе использует пряжу из углеродных нанотрубок. Из реферата одной из его работ 1 :

Мы показываем, что заполненная электролитом пряжа из углеродных нанотрубок
намного тоньше человеческого волоса, действует как торсионный искусственный
мышцы в простой трехэлектродной электрохимической системе, обеспечивающей
реверсивное вращение на 15 000° и 590 оборотов в минуту. А
гидростатический механизм срабатывания, как это видно в мышечных гидростатах в
природы, объясняет одновременное возникновение продольных
сжатие и кручение при увеличении объема пряжи
за счет электрохимической двухслойной инжекции заряда. Использование
продемонстрирована торсионная пряжа в качестве смесителя для жидкостного чипа.

Похожая идея используется в Исследовательском институте интеллектуальных полимеров в Австралии (ссылка).

Изображение ниже взято из мини-обзора, подготовленного профессором Боугманом 2 , на которых показаны СЭМ-изображения (а) листа УНТ, вытягиваемого из леса УНТ (который находится слева на этом изображении), (б) вставка крутки типа Ферма во время прядения пряжи из леса УНТ, (с ) однослойная скрученная нескрученная пряжа из УНТ и (d) однослойная скрученная пряжа

  1. Javad Foroughi, et al. Torsional Carbon NanotubeArtificial Muscles , Science, 334, 494, 2011 (DOI: 10.1126/science.1211220, ResearchGate).
  2. Джэ А Ли, Рэй Х. Боман и Сон Чжон Ким, 9 лет0127 Высокоэффективные электрохимические и электротермические искусственные мышцы из нитей углеродных нанотрубок, полученных методом крученого формования . Nano Convergence, 2, 8, 2015 (DOI: 10. 1186/s40580-014-0036-0 Открытый доступ!)

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Пневматические «мускулы»

В основном они представляют собой надувную трубу (по сути, длинный воздушный шар), окруженную трубкой из волокнистой сетки, прикрепленной к поверхностям, на которые будет воздействовать сила. Когда надувная трубка наполняется воздухом с помощью пневматического насоса, она расширяется, пока не достигнет сетки. Это подвергает сетку растягивающей силе по радиусу трубы, сокращая ее длину и воздействуя на точки ее крепления.

Эти «мускулы» не особенно мощные и имеют очень ограниченный диапазон движения, но они работают и не используют преобразование электричества в тепло в качестве механизма движения. Хаксмит, например, использовал их для создания экзоскелета руки, способного поднимать несколько сотен фунтов на несколько дюймов.

$\endgroup$

Более сильные искусственные мышцы сделают роботов более похожими на людей

Рэй Боман, профессор химии и директор Института нанотехнологий Техасского университета в Далласе, вспоминает, как видел красивую женщину в другом конце комнаты во время конференции в Южной Корее. Но чем ближе он подходил, тем больше беспокоился.

«Это был человекоподобный робот EveR», — сказал он мне. По его словам, создатели EveR неплохо сымитировали человеческую форму, но «у нее не было достаточно мышц на лице, чтобы естественно улыбаться». Это своего рода тонкое несовершенство, которое делает роботов скорее жуткими, чем дружелюбными.

Реклама

Искусственные мышцы способны трансформировать роботов и протезы, но их на удивление сложно изготовить. Исследователи в течение многих лет пытались заставить их сжиматься и освобождаться достаточно быстро, оставаясь при этом гибкими и не ломкими. Они пробовали множество различных конструкций, от растягивающейся рыболовной проволоки до резинового цилиндра, который можно электрически стимулировать для сокращения.

Но одна из самых футуристических концепций — это идея мышцы на основе геля, которая может полностью изменить наши представления об упаковке мышц — если кто-нибудь когда-нибудь сможет построить достаточно прочную мышцу.

Японские исследователи ранее в этом месяце опубликовали в журнале Nature Communications исследование о новом гидрогеле или сети синтетических молекул, которые могут расширяться за счет поглощения воды, которые, по их словам, можно использовать в качестве искусственных мышц, даже если они не еще готовы к внедрению в полевых условиях.

«Традиционно гели использовались исследователями во многих областях, потому что приготовление гелей очень просто», — написал в электронном письме Юкикадзу Такеока, профессор молекулярной инженерии в Университете Нагоя в Японии и автор исследования Nature. . Но он и его команда нашли способ укрепить гели, сказал он, что должно вдохновить других исследователей на поиск других применений.

Они отмечают в своей статье, что, хотя гидрогели «имеют потенциал… для использования в искусственных мышцах, их хрупкость должна быть уменьшена, прежде чем их можно будет использовать в этих приложениях», добавляя, что их новый метод разработки геля может привести к « значительное улучшение» их долговечности.

Реклама

В этом видео от исследователей штата Северная Каролина показано одно применение гидрогелей в качестве простых двигателей.

«В прошлом мы работали с гелевыми искусственными мышцами, но наши были слишком слабыми и слишком медленными», — сказал в интервью Пол Калверт, профессор биоинженерии Массачусетского университета в Дартмуте. «Они были слишком медленными, потому что вещество должно распространяться внутрь и наружу, а это требует времени, если вы говорите о микроскопических вещах».

И они были слабыми, потому что нити материала туго натягивались, когда они были заполнены водой, что делало их хрупкими. «Подумайте о желе — когда вы надрезаете его, оно просто раскалывается», — сказал Калверт.

По словам Калверта, за последние 15 лет небольшие инновации постепенно приблизили инженеров к созданию гелей с нужными свойствами для искусственных мышц. Этот процесс все еще продолжается, и ему еще предстоит пройти немало, даже с учетом последних достижений японской исследовательской группы.

Гель похож на сеть волокон, сказал Калверт, и они пересекаются в ряде точек, которые были зафиксированы в прошлом. Авторы нового исследования добавили к концам волокон «бублик», чтобы пересечения больше не были зафиксированы в пространстве.

«Это дает вам больше гибкости, потому что все может соскользнуть в один конец, прежде чем натянется», — сказал Калверт. Это новшество не ново, но «никто раньше не соединял [поперечную ссылку и пончик] вместе», — добавил он.

Свойства гидрогеля японских исследователей. Изображение: Nature Communications

Несмотря на то, что авторы исследования Nature упоминают искусственные мышцы в качестве возможного применения своего гидрогеля, Боуман считает, что гели «обычно слишком эластичны», чтобы работать как таковые. Они лучше подходят для доставки лекарств, поскольку могут высвобождать или поглощать материалы в присутствии определенных химических веществ, а это означает, что они могут высвобождать лекарства в организме только в присутствии соответствующих клеток, таких как антигены.

Реклама

На данный момент Калверт согласен; наиболее многообещающие разработки исходят от SRI International, исследовательской компании из Силиконовой долины, которая подошла ближе всех, поместив смазанные металлом диоды по обе стороны резинового цилиндра.

«На данный момент гели парализованы», — сказал Калверт, потому что никто не смог понять, как сделать их достаточно прочными и чувствительными.

Но они указывают на будущее, в котором у роботов будет гораздо больше гибкости в упаковке. «Если вы посмотрите на всех роботов на данный момент, включая протезы рук, все они приводятся в движение электродвигателями и зубчатыми колесами. Очевидно, что нам нужны искусственные мышцы и человекоподобные руки», — сказал Калверт.

Одним из захватывающих потенциальных применений является растущая область мягкой робототехники. Калверт предполагает, что первые мягкие роботы будут выглядеть как «собаки с батареей внутри», подходящие для поиска наземных мин. Но они быстро выйдут за рамки этих практических применений.