Содержание
Созданы искусственные мышцы нового поколения: они электрохимически управляемые
Елизавета
Приставка
Новостной редактор
Исследователи из Техасского университета в Далласе создали мощные униполярные мышцы из углеродных нанотрубок.
Читайте «Хайтек» в
Исследователи из Техасского университета в Далласе создали мощные униполярные электрохимические мышцы, которые активнее сокращаются, когда движутся быстрее.
В течение более чем 15 лет исследователи из Техасского университета в Далласе и их коллеги в США, Австралии, Южной Корее и Китае изготавливали искусственные мышцы путем скручивания и намотки углеродных нанотрубок или полимерных нитей. При изменении температур эти мышцы работают, сокращая свою длину при нагревании и возвращаясь к своей первоначальной длине при охлаждении.
Однако они имеют свои ограничения.
Электрохимически управляемые мышцы из углеродных нанотрубок (УНТ) — это альтернативный подход к созданию быстрых, мощных, искусственных мышц, которые можно применить в робототехнике и других сферах.
Электрохимически управляемые мышцы особенно перспективны, поскольку их эффективность преобразования энергии не ограничена термодинамическим пределом: они могут сильнее сокращаться, а также выдерживают тяжелые нагрузки, не потребляя много энергии.
Но существуют ограничения для электрохимических мышц УНТ. Во-первых, мышечное возбуждение является биполярным, это означает, что мышечное движение, расширение или сокращение изменяет направление во время потенциального сканирования. Потенциал, при котором ход меняет направление, — это потенциал нулевого заряда, а скорость, с которой потенциал изменяется во времени, это потенциальная скорость сканирования.
Другой вопрос: данный электролит стабилен только в определенном диапазоне напряжений.
За пределами этого диапазона электролит разрушается.
Чтобы решить эти проблемы, исследователи выяснили, что внутренние поверхности спиральных нитей углеродных нанотрубок могут быть покрыты определенным ионно-проводящим полимером, который содержит либо положительно, либо отрицательно заряженные химические группы.
Это полимерное покрытие преобразует биполярное возбуждение нитей углеродных нанотрубок в униполярное возбуждение, когда мышца действует в одном направлении во всем диапазоне стабильности электролита. Количество молекул растворителя, закачиваемых в мышцу каждым ионом, увеличивается с увеличением потенциальной скорости сканирования для некоторых униполярных мышц, это увеличивает эффективный размер ионов.
Таким образом, ход мышц может увеличиваться в 3,8 раза при увеличении потенциальной скорости сканирования, в то время как ход мышц из углеродной нанотрубки без полимерного покрытия уменьшается в 4,2 раза при тех же изменениях потенциальной скорости сканирования.
Читать далее
Найден новый вид черной дыры, который не вписывается в теорию относительности
Аборты и наука: что будет с детьми, которых родят
Ученые вывели замену для теории относительности. В чем суть «теории всего»?
ИСКУССТВЕННЫЕ МУСКУЛЫ | Наука и жизнь
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
‹
›
Открыть в полном размере
Еще не прошло и десяти лет со времени открытия
экзотических структур — углеродных нанотрубок, но они продолжают удивлять
исследователей. Углеродные нанотрубки — тончайшие листочки хорошо известного
графита, свернутые в трубку диаметром от 0,7 до 1,5-2,0 нм и длиной до
нескольких микрон (см. «Наука и жизнь» № 11, 1993 г.).
Высокая прочность углерод-углеродной связи,
малые размеры, сетчатое строение оболочек нанотрубок (они состоят из связанных
шестиугольников) и отсутствие дефектов обеспечивают их необычные механические
свойства: они в 10-12 раз прочнее и в 6 раз легче стали.
Нить диаметром
1 мм из таких нанотрубок могла бы выдержать
20-тонный груз, в сотни миллиардов раз больший ее собственного веса. А
диаметр одиночной нанотрубки столь мал (в 50 тысяч раз меньше диаметра
человеческого волоса), что нанокабель от Земли до Луны можно было бы намотать
на катушку размером с маковое зернышко.
Все это вызывает немалый энтузиазм материаловедов,
которые недавно вспомнили, например, даже о фантастической идее американского
писателя Артура Кларка связать подъемником с Землей космический корабль
на геостационарной орбите.
Необычные электронные свойства углеродных
нанотрубок вот-вот найдут применение в первых дисплеях с полевыми эмиттерами
и в туннельных микроскопах, они вызвали большую серию работ в попытках
создать молекулярный транзистор, размер которого был бы на несколько порядков
меньше самых миниатюрных из ныне существующих электронных приборов.
Еще одну область их использования наметило
сообщение, ставшее научной сенсацией.
В феврале — марте 1999 г. в городке Кирхберг,
что в Тироле (Австрия), состоялась 13-я Международная зимняя школа по электронным
свойствам новых материалов. Среди довольно большого числа докладов по нанотрубкам
общее внимание привлек доклад международной исследовательс кой группы сотрудников
во главе с Рэем Баухманом (Ray Baughman), сотрудником компании «Эллайд
Сигнел» (Allied Signal). Доклад был посвящен созданию искусственных мускулов
и позднее изложен в статье, опубликованной в журнале «Сайенс» (Science,
1999. v. 284, N. 5418, p. 1340-1344, May 21).
Создать искусственные мускулы пытаются
давно, и для решения этой задачи просматривались несколько путей. Можно,
например, использовать пьезоэффект: изменение размеров кристалла или керамики
при наложении электрического напряжения. Можно «играть» на способности
слоистых веществ расширяться в направлении, перпендикулярном плоскости
слоев, при внедрении между слоями химикатов.
Но эти пути либо сложны, либо
малоэффективны.
В группе Баухмана использовали иной принцип.
Углеродные нанотрубки можно получать в виде листочков нанобумаги, в которых
трубки перепутаны, переплетены друг с другом. Такую нанобумагу можно брать
в руки, разрезать на полосы. Первые эксперименты были на удивление просты.
Исследователи приклеили две полоски нанобумаги
к противоположным сторонам липкой ленты, присоединили к концам электроды
и опустили в солевой раствор, обеспечивающий электропроводность. При включении
электрической батареи, дающей напряжение в несколько вольт, обе полоски
нанобумаги слегка удлинились, но связанная с отрицательным полюсом батареи
удлинилась больше, и они изогнулись. Искусственный мускул (актюатор) действовал.
Конечно, такое устройство слишком примитивно,
чтобы уже сегодня использовать его вместо бицепсов и трицепсов. Но уже
ясно, что эта конструкция гораздо более перспективна, чем любая другая.
Вместо солевого раствора предполагается применять проводящий полимер, создав
легкий и прочный композитный материал.
Уже показано, что искусственные мускулы
будут по меньшей мере втрое «сильнее» обычных, то есть смогут выдерживать
гораздо большие нагрузки при тех же размерах. В отличие от металлов углеродные
нанотрубки не разрушаются от усталости, могут работать при довольно высоких
температурах. А используемые для их работы напряжение и сила тока невелики.
Искусственные мускулы со временем можно
будет использовать для протезирования органов и отдельных мышц (скажем,
сердечной). На их основе легко удастся сконструировать «руки» и «пальцы»
роботов, работающих в космическом холоде или в 1000-градусную жару, в вакууме
и в среде агрессивных газов.
Углеродные мускулы можно использовать и
для производства энергии, поскольку, по словам Баухмана, эффект обратим:
сгибание и разгибание полосок создают электрический потенциал.
Соединенные
в цепь элементы могут использовать энергию волн, приливов и отливов в электростанциях
нового типа. Каждый автомобиль можно будет со временем снабдить легким
устройством, которое при торможении станет подзаряжать аккумуляторы.
Торсионные искусственные мышцы — Materials Horizons (издательство RSC)
Шазед
Азиз
* аб
а также
Джеффри М.
Спинкс* и
Принадлежности автора
*
Соответствующие авторы
и
Центр передового опыта ARC в области электроматериаловедения и Институт исследования интеллектуальных полимеров, Университет Вуллонгонга, Инновационный кампус, Squires Way, North Wollongong, NSW 2522, Австралия
Электронная почта:
gspinks@uow.
edu.au
б
Школа химического машиностроения, Университет Квинсленда, Здание Дона Никлина (74), QLD 4072, Австралия
Электронная почта:
[email protected]
Аннотация
Торсионные приводы с большим ходом представляют собой новейший класс технологии искусственной мускулатуры, которая производит вращательное движение или создает крутящий момент в ответ на различные стимулы. Было показано, что ряд материалов, содержащих скрученные волокна или нити, демонстрируют высокую степень обратимого раскручивания и повторного скручивания в различных экспериментальных условиях, таких как нагревание, электрохимическая зарядка, химическая абсорбция или фотонное возбуждение.
Торсионные приводы имеют потенциальное применение в таких областях, как перемешивание микрожидкостей, микродатчики, фотонные дисплеи и устройства для сбора энергии. Кроме того, крутильное срабатывание в волокнах может быть преобразовано в линейное или растягивающее срабатывание, когда волокна свернуты в катушки. Эти спиральные искусственные мышцы, растягивающиеся на растяжение, потенциально могут использоваться в мягкой и носимой робототехнике, медицинских устройствах и протезах. В этом обзоре будет представлен всесторонний обзор торсионных приводов, изготовленных из различных функциональных материалов, их приводного механизма, возможных применений и существующих ограничений. Обзор завершится последними разработками и будущими тенденциями торсионных приводов, а также критическими проблемами, которые необходимо рассмотреть и решить.
- Эта статья является частью тематического сборника:
Последние обзорные статьи
Искусственные мышцы сильнее и гибче, чем настоящие
Инженеры Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе создали искусственные мышцы, которые сильнее и гибче, чем настоящие.
Новый материал является примером диэлектрического эластомера, представляющего собой электроактивный полимер, который может изменять свою форму или размер при воздействии электричества. Исследователи изменили сшивку между полимерными цепями в материале, сделав его более гибким при сохранении прочности. Каждая пленка нового материала имеет толщину всего лишь человеческий волос, но исследователи накладывают их друг на друга, чтобы сформировать мини-мышцы. Эта технология может быть очень полезна в роботизированных протезах, медицинских мягких роботах и носимых устройствах.
Во многих отношениях трудно имитировать сложность и изощренность биологических тканей, используя современные технологии, но превзойти их, по крайней мере, в одном или двух аспектах, редко и достижение. Эта новейшая технология представляет собой искусственную мышцу, которая может превосходить по силе и гибкости наши собственные мышцы. «Создание искусственной мышцы, позволяющей работать и обнаруживать силу и прикосновение, было одной из главных задач науки и техники», — сказал Кибин Пей, исследователь, участвовавший в исследовании.
Искусственные мышцы имеют широкий спектр медицинских применений и могут обеспечить более реалистичное движение для роботизированных протезов и мягкой робототехники, а также обеспечить способ приведения в действие микрофлюидных устройств и биореакторов тканевой инженерии. Тем не менее, имитировать гибкость, силу и способность выдерживать высокие уровни напряжения естественных мышц — сложная задача.
Прыгающий робот диаметром около 1,2 сантиметра, оснащенный приводами PHDE
Для этого исследователи использовали диэлектрический эластомер, реагирующий на электрическую стимуляцию. Чтобы быть точным, они использовали акриловый диэлектрический эластомер, который традиционно может выдерживать большие нагрузки, но имеет плохую гибкость и требует предварительного растяжения перед использованием. Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали процесс УФ-отверждения и изменили сшивку между полимерными цепями внутри материала, чтобы сделать его более гибким.
Полученные полимерные листы невероятно тонкие, всего 35 микрон, но их можно складывать вместе для использования.