Искусственные мышцы, которым позавидовал бы сам Терминатор
Высокие технологии, Медицина, Наука, Новости, Познавательное, Техника и механика
Оставить комментарий
Учёные представили инновационные искусственные мышцы, которые в сто раз сильнее человеческих. Три независимые группы исследователей разработали собственные варианты, различающиеся материалами и сферами применения.
Getty Images
Все синтетические мышцы имеют общую черту – как правило, они представляют собой упругие волокна, которые растягиваются и сокращаются, как и их природный аналог. Пионером в разработке искусственных мышц признан Рэй Боуман, директор Института нанотехнологий Техасского университета. На первых этапах исследования Боуман и его команда работали с самыми привычными материалами, которые можно найти в любом доме – нитками для шитья и леской. Они стремились доказать и наглядно продемонстрировать, что даже базовые материалы могут образовать подобные мышцам структуры. В ходе лабораторных испытаний техасцы пришли к наилучшим, на их взгляд, материалам для формирования волокон искусственных мышц – шёлку и бамбуку.
Учёные также разработали специальную оболочку, которая реагирует на электрохимические и температурные колебания. Покрытые этой оболочкой волокна сокращаются и двигаются подобно тому, как двигаются человеческие мышцы под воздействием внешних раздражителей. Подобный вариант синтетических мышц может найти применение в производстве умной одежды. Например, помещённые внутрь ткани мышечные волокна могут автоматически расширять «поры» материала в ответ на повышенную влажность или повышение температуры тела.
Science | AAAS
Исследователи из Университета Бордо разработали собственный вариант искусственной мышцы из эластичного полимера и графена. Их синтетическая мышца напоминает высокотехнологичный аналог резиновой ленты, используемой в резиномоторных авиамоделях. Главный научный сотрудник проекта Джинкай Юань и его коллеги постарались над тем, чтобы эту «резинку» не приходилось скручивать после каждого растяжения: комбинация графена и полимера в составе волокна позволяет создать «эффект памяти».
Эластичный полимер может растягиваться и сжиматься, но контроль степени сокращения происходит через проводящий ток графеновый слой. Юань предполагает, что подобный концепт имеет потенциал в медицине, например, такие волокна можно использовать для управления работой миниатюрных клапанов внутри медицинских приборов.
Science | AAASScience | AAAS
В отличие от графеново-полимерных волокон, которые приводятся в движение при помощи электричества, принцип действия синтетических мышц, разработанных учёными из Массачусетского Технологического Института гораздо ближе к человеческим. Команда МТИ во главе с Мехметом Каником представила волокна из полиэтилена высокой плотности и эластомера. При нагревании тепло распространяется по волокнам равномерно, но из-за разницы коэффициентов теплового расширения один из полимеров быстро сокращается, а второй удерживает его от хаотичного сжатия, заставляя завиваться в виде спирали. Вдохновением для исследователей послужили растительные побеги-усики огурцов, которые сокращаются, регулируя давление в клетках.
Сокращение волокна происходит даже при незначительных колебаниях температуры, потому материал не страдает от резких перепадов температуры и не теряет свои свойства даже после десяти тысяч циклов сжатия. При этом такая искусственная мышца может поднимать грузы, масса которых в 650 раз превышает её собственный.
В ходе лабораторных тестов специалисты экспериментировали с различными температурами: при нагревании волокна на 14°C общая длина нитей сократилась на 50%. Кроме того, исследователи попытались использовать синтетические мышцы для управления маленькой роботической рукой. Разогревая и охлаждая волокна они заставляли руку поднимать и перемещать небольшие грузы. Более того, изменяя расположение и соотношение нитей из разных материалов внутри полотна, учёные смогли управлять направлением движения.
Силу сокращений также можно регулировать, изменяя пропорции и диаметр нитей исходных полимеров.
Polina Anikeeva (MIT)Science | AAAS
На данном этапе работ искусственные мышцы значительно уступают настоящим в плане эффективности их работы. Сегодня даже самые совершенные синтетические мышечные волокна преобразовывают в полезную работу не больше 3-5% затраченной энергии, оставшаяся энергия теряется в виде тепла. Если инженеры и биотехники преуспеют в устранении потерь энергии, возможности применения синтетических мышц будут безграничными: начиная от умной одежды и протезов до робототехники и экзоскелетов.
Dan Robitzski
Поделиться в соцсетях
биотехнологияИнститут нанотехнологий Техасского университетаискусственные мышцыМТИУниверситет Бордо
Найти:
Пропитанные гидрогелем спирали превратили в искусственные мышцы
Австралийские инженеры разработали искусственные
мышечные волокна, принцип работы которых имитирует возможности молекул ДНК многократно
скручиваться в спирали, значительно уменьшая свои размеры.
Мышцы состоят из закрученных пар полиэфирных нитей с применением гидрогеля, который при изменении величины
pH
окружающей среды способен набухать, что приводит к увеличению объема нитей и, при зафиксированных концах, к дальнейшему их скручиванию в петли и сокращению мышечной нити. Эксперименты показали, что новые искусственные мышечные
волокна способны сокращаться на 90 процентов от исходной длины и превосходят мышцы млекопитающих более
чем в 30 раз по величине производимой работы на единицу массы. Авторы надеются,
что в будущем их разработка пригодится при создании микророботов и микроинструментов,
например для выполнения малоинвазивных хирургических операций. Статья
опубликована в журнале Science
Robotics.
Стремление инженеров к миниатюризации роботов особенно
актуально в области медицины, так как уменьшение размеров инструментов, используемых
для выполнения медицинских процедур и хирургических операций может уменьшить нежелательное
воздействие на организм пациента. Однако традиционно используемые типы
актуаторов, например электромоторы, накладывают ограничение на минимальный
размер микроинструментов, так как их трудно сделать достаточно маленькими без
потери производительности.
В качестве альтернативы инженеры разрабатывают
актуаторы, имитирующие работу мышц животных, и которые могут даже в малых
масштабах сохранять высокую эффективность. В последние годы стала набирать популярность технология изготовления искусственных мышц из синтетических нитей.
Инженеры из австралийского Университета Вуллонгонг под
руководством Джеффри Спинкса (Geoffrey
Spinks)
создали прототип искусственных мышц, для которых также используются синтетические
скрученные нити. В основу работы лег принцип скручивания, который наблюдается
в молекулах ДНК, и который, как считают авторы разработки, позволит искусственным мышцам совершать большую работу на единицу массы, чем обычные скелетные мышцы млекопитающих.
Известно, что полимерные молекулы ДНК могут значительно изменять свои размеры. Молекулы длиной десятки сантиметров способны упаковываться
в клеточных структурах микрометрового масштаба за счет явления сверхспирализации, в
результате которого двойные спирали ДНК закручиваются в спиралевидные структуры
более высокого порядка.
При этом свободное вращение концов молекулы затруднено:
либо они крепятся к другим структурам, либо соединяются, образуя кольцевую молекулу.
Аналогичное явление сверхспирализации можно наблюдать и в поведении любых закрученных нитей при условии закрепленных концов.
Для создания искусственных мышц с возможностью сверхспирализации инженеры используют швейные нити из полиэстра, пропитывая их
гидрогелем на основе полиакриловой кислоты, степень набухания которого зависит от уровня pH окружающей мышечное волокно среды. После этого нити скручиваются вместе с помощью электромотора с подсчетом
числа оборотов и отжигаются в печи для закрепления. Более тонкие композитные нити,
состоящие из смеси волокон полиакрилонитрила и полиакриловой кислоты, получают методом
электроспининга.
Для того чтобы заставить суперспиральные искусственные
мышцы сократиться, необходимо увеличить величину pH среды в которой они находятся. Для этого испытываемые
образцы помещают в воду или в раствор гидроксида натрия.
Чтобы вернуться в исходное состояние используют раствор соляной кислоты. При
повышении уровня pH
окружающей среды гидрогель набухает, увеличивая объем нитей, которые стремятся
раскрутиться. Однако, так как концы спирали зафиксированы и не могут свободно вращаться, это приводит образованию на нитях супервитков и сжатию искусственной
мышцы. Уменьшение же уровня водородного показателя pH окружающей среды приводит к уменьшению
объема нити, раскручиванию суперспиралей и возвращению к исходному состоянию.
Инженерам удалось добиться сокращения искусственных мышечных
волокон на величину до 90 процентов от их начальной длины. В процессе сокращения волокна
способны совершить работу эквивалентную выделению одного джоуля энергии на
грамм сухого волокна. Для сравнения мышцы млекопитающих способны сокращаться лишь примерно на 20 процентов от их первоначальной длины и производят работу около 0.03 джоулей на грамм.
Скорость сверхспирализации и сокращения нити при химическом методе активации
оказалась довольно низкой и неравномерной. Сокращение до 66 процентов происходит за несколько
минут, тогда как на полное сжатие может потребоваться больше 10 минут. Однако
этот параметр зависит от толщины мышечных волокон и, по словам авторов, может
быть улучшен заменой одной толстой нити на нескольких нитей с меньшим диаметром.
Для демонстрации возможностей применения своего
изобретения инженеры создали два прототипа микрохирургических инструментов:
ножницы и пинцет, корпуса которых изготовлены с помощью 3D печати. Авторы работы надеются, что в будущем им удастся расширить область
применения искусственных мышц со сверхспиральным скручиванием. Для этого понадобится повысить скорость реакции мышц и заменить текущий химический
способ активации волокон на более практичный и быстрый, например электротермический.
Инженеры часто заимствуют для своих разработок идеи из
природы. Например, разработчики из Нидерландов создали прототип инструмента для малоинвазивной хирургии и биопсии, который имитирует работу яйцеклада ос-наездников.
Андрей Фокин
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Искусственные мышцы, сделанные с использованием натуральных белков
от Advanced Science News | 3 февраля 2022 г.
Ученые разработали первые искусственные мышцы из природных белков, которые сокращаются автономно и потребляют химическое топливо.
Группе исследователей из Фрайбургского университета удалось разработать искусственные мышцы, которые используют естественные процессы в организме.
В своем исследовании, недавно опубликованном в журнале Advanced Intelligent Systems 9В 0012 году команда под руководством Стивена Шиллера продемонстрировала автономную сгибающуюся мышцу, которая двигается, потребляя химическое топливо. Это похоже на человеческие мышцы, которые используют актин-миозин и потребляют аденозинтрифосфат (АТФ), основное клеточное топливо. Сжатие материала можно контролировать с помощью изменения pH и температуры.
«Наша искусственная мышца все еще является прототипом», — говорится в заявлении Шиллера.
«Однако высокая биосовместимость материала и возможность корректировки его состава для соответствия конкретным тканям и технологическим применениям могут проложить путь для будущих применений в реконструктивной медицине, протезировании, фармацевтике или мягкой робототехнике».
В прошлом ученые применяли натуральные белки для разработки систем искусственных мышц, встраивая их в крошечные молекулярные машины или полимеры. Однако пока не удалось разработать полностью биологические синтетические мышцы.
Натуральный белок, используемый командой из Фрайбурга, основан на природном волокнистом белке, называемом эластином. Исследователи разработали два синтетических эластиноподобных белка, один из которых реагирует на колебания pH, а другой — на изменения температуры.
Ученые объединили два белка с помощью фотохимического перекрестного связывания, чтобы сформировать слоистый материал, которому можно легко придать форму, чтобы задать направление его движения. Затем им удалось вызвать ритмичные сокращения с помощью химического источника топлива, сульфита натрия.
В колебательной химической реакции, в которой рН меняется циклами из-за особой связи нескольких реакций, добавленная энергия превращалась в механическую энергию.
Таким образом, исследователи заставили материал циклически сокращаться автономно. Они также могли включать и выключать сокращения с помощью изменения температуры. При этом можно было запрограммировать определенные состояния материала и снова сбросить их с помощью другого стимула. Таким образом, ученые разработали простую систему для реализации «обучения и забывания» на материальном уровне.
«Поскольку он получен из встречающегося в природе белка эластина и производится с помощью биотехнологических средств, наш материал отличается высокой устойчивостью, которая также важна для технических применений», — пояснил Шиллер. «В будущем материал может быть доработан для реагирования на другие раздражители, такие как электричество, концентрация соли в окружающей среде, и для потребления других источников энергии, таких как малат, полученный из биомассы.
«Мы находимся в состоянии, когда мы можем разрабатывать концепции белковых материалов, имитирующих сложные биологические функции, даже в отношении памяти и обучения», — продолжил он. «Мы предполагаем создавать белковые материалы, которые используют АТФ, «валюту» клеточной энергии, и обрабатывают биологические стимулы, чтобы иметь возможность создавать адаптивные технические материалы и использовать новые подходы в биомедицинских приложениях, таких как регенерация тканей и новое поколение нанотехнологий. роботы для доставки лекарств».
Ссылка: Matthias C. Huber, et al., Автономная искусственная белковая мышца на химическом топливе, Advanced Intelligent Systems (2022). DOI: 10.1002/aisy.202100189
Адаптировано из пресс-релиза, предоставленного Фрайбургским университетом
Изображение предоставлено Маттиасом Хубером.
Пленка размером 4×5 дюймов, состоящая из 10 слоев обрабатываемых высокоэффективных диэлектрических эластомеров (PHDE), соединенных вместе с 20 приводами.
Предоставлено: Лаборатория исследования мягких материалов / Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе.
Материаловеды Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и их коллеги из некоммерческого научно-исследовательского института SRI International разработали новый материал и производственный процесс для создания искусственных мышц, которые сильнее и гибче, чем их биологические аналоги.
«Создание искусственной мышцы, позволяющей работать и обнаруживать силу и прикосновение, было одной из величайших задач науки и техники», — сказал Кибин Пей, профессор материаловедения и инженерии в Инженерной школе Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и соответствующий автор. исследования, недавно опубликованного в Наука .
Для того, чтобы мягкий материал можно было использовать в качестве искусственной мышцы, он должен быть способен выдавать механическую энергию и оставаться жизнеспособным в условиях высокой нагрузки, то есть он не теряет легко свою форму и прочность после повторных рабочих циклов.
В то время как многие материалы считались претендентами на создание искусственных мышц, диэлектрические эластомеры (DE) — легкие материалы с высокой плотностью упругой энергии — представляли особый интерес из-за их оптимальной гибкости и прочности.
Видео, демонстрирующее испытания пленок и приводов PHDE. Предоставлено: Soft Materials Research Lab/UCLA
Диэлектрические эластомеры — это электроактивные полимеры, которые представляют собой природные или синтетические вещества, состоящие из больших молекул, которые могут изменять размер или форму под действием электрического поля. Их можно использовать в качестве исполнительных механизмов, позволяющих машинам работать за счет преобразования электрической энергии в механическую работу.
Большинство диэлектрических эластомеров изготовлены из акрила или силикона, но оба материала имеют недостатки.
В то время как традиционные акриловые DE могут достигать высокой деформации при срабатывании, они требуют предварительного растяжения и не обладают гибкостью. Силиконы проще в изготовлении, но они не выдерживают высоких нагрузок.
Используя имеющиеся в продаже химические вещества и применяя процесс отверждения ультрафиолетовым (УФ) светом, исследовательская группа под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе создала улучшенный материал на основе акрила, который является более гибким, поддающимся настройке и более простым в масштабировании без потери своей прочности и износостойкости. В то время как акриловая кислота способствует образованию большего количества водородных связей, тем самым делая материал более подвижным, исследователи также отрегулировали сшивание между полимерными цепями, что позволило эластомерам стать более мягкими и гибкими. Полученная тонкая, обрабатываемая, высокоэффективная диэлектрическая эластомерная пленка, или PHDE, затем помещается между двумя электродами для преобразования электрической энергии в движение в качестве исполнительного механизма.
Каждая пленка PHDE такая же тонкая и легкая, как кусок человеческого волоса, толщиной около 35 микрометров, и когда несколько слоев сложены вместе, они становятся миниатюрным электродвигателем, который может действовать как мышечная ткань и производить достаточно энергии для движения. для небольших роботов или датчиков. Исследователи сделали стопки пленок PHDE, состоящих от четырех до 50 слоев.
«Этот гибкий, универсальный и эффективный привод может открыть ворота для искусственных мышц в новых поколениях роботов или в датчиках и носимых технологиях, которые могут более точно имитировать или даже улучшать человеческие движения и способности», — сказал Пей.
Прыгающий робот диаметром около 1,2 сантиметра, оснащенный приводами PHDE. Предоставлено: Лаборатория исследования мягких материалов / Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе.
Искусственные мышцы, оснащенные приводами PHDE, могут генерировать большее усилие в мегапаскалях, чем биологические мышцы, а также демонстрируют в 3-10 раз большую гибкость, чем естественные мышцы.
Многослойные мягкие пленки обычно изготавливаются «мокрым» способом, который включает нанесение и отверждение жидкой смолы. Но этот процесс может привести к образованию неравномерных слоев, что приведет к плохой работе привода. По этой причине до сих пор многие актуаторы были успешными только с однослойными пленками DE.
Исследование Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе включает «сухой» процесс, при котором пленки наслаиваются с помощью лезвия, а затем затвердевают под действием УФ-излучения, делая слои однородными. Это увеличивает выходную мощность привода, так что устройство может поддерживать более сложные движения.
Упрощенный процесс, наряду с гибким и прочным характером PHDE, позволяет производить новые мягкие приводы, способные изгибаться для прыжка, как ноги паука, или скручиваться и вращаться. Исследователи также продемонстрировали способность привода PHDE подбрасывать шарик размером с горошину в 20 раз тяжелее, чем пленки PHDE. Привод также может расширяться и сжиматься, как диафрагма, при включении и выключении напряжения, что дает представление о том, как можно будет использовать искусственные мышцы в будущем.