Имитация человеческого тела, особенно приводов, управляющих движением мышц, вызывает огромный интерес во всем мире. В последние годы это привело ко многим инновациям для улучшения робототехники, протезов конечностей и многого другого, но создание этих приводов обычно включает сложные процессы с использованием дорогих и труднодоступных материалов.
Исследователи из Техасского университета в Остине и Университета штата Пенсильвания создали новый тип волокна, который может работать как мышечный привод, во многих отношениях лучше, чем другие варианты, существующие сегодня. И, самое главное, эти мышечные волокна легко производить и перерабатывать.
В новой статье, опубликованной в журнале Nature Nano, исследователи показали, что эти волокна, которые они первоначально обнаружили во время работы над другим проектом, более эффективны, гибки и способны выдерживать повышенную нагрузку по сравнению с тем, что существует сегодня. Эти волокна можно использовать по-разному, включая медицину и робототехнику.
«Вы можете создать конечность из этих волокон в роботе, который реагирует на раздражители и возвращает энергию, вместо того, чтобы использовать для этого механический двигатель, и это хорошо, потому что тогда у него будет более мягкое прикосновение», — сказал Маниш Кумар, сотрудник. профессор факультета гражданского, архитектурного и экологического проектирования Инженерной школы Кокрелла и один из ведущих авторов статьи.
Этот тип роботизированной руки можно использовать во вспомогательном экзоскелете, чтобы помочь людям со слабыми руками восстановить движение и силу. Исследователи говорят, что еще одним потенциальным применением может быть своего рода «самозакрывающаяся повязка», которую можно использовать в хирургических процедурах и которая естественным образом разлагается внутри тела после заживления раны.
«Приводы — это любой материал, который будет изменяться или деформироваться под действием любых внешних раздражителей, например, части машины, которые будут сжиматься, изгибаться или расширяться», — сказал Роберт Хики, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Пенсильванском университете и автор статьи. «А для таких технологий, как робототехника, нам необходимо разработать мягкие и легкие версии этих материалов, которые могут фактически действовать как искусственные мышцы. Наша работа заключается в том, чтобы найти новый способ сделать это».
Волокнистый материал известен как блок-сополимер. Для его создания требуется всего лишь поместить полимер в растворитель, а затем добавить воду. Одна часть полимера гидрофильна (притягивается к воде), а другая часть гидрофобна (устойчива к воде). Гидрофобные части полимера группируются вместе, чтобы защитить себя от воды, создавая структуру волокна.
Аналогичным существующим волокнам требуется электрический ток, чтобы стимулировать реакции, связывающие части вместе. Это химическое сшивание сложнее осуществить по сравнению с новым волокном исследователей, которое представляет собой механическую реакцию, а это означает, что части выполняют большую часть работы сами. Еще одним дополнительным преимуществом является то, что процесс можно легко обратить вспять и вернуть куски волокна в исходное состояние.
«Простота изготовления этих волокон из полимера и возможность их вторичной переработки очень важны, и это аспект, который не охватывает большая часть других сложных исследований искусственных мышц», — сказал Кумар.
Исследователи обнаружили, что их волокна на 75% более эффективны с точки зрения преобразования энергии в движение, способны выдерживать на 80% большую нагрузку и могут вращаться с большей скоростью и силой, чем современные приводы. И он может растянуться более чем на 900% своей длины, прежде чем сломается.
Открытие произошло, когда исследователи работали над чем-то другим. Они пытались использовать эти полимеры для изготовления мембран для фильтрации воды. Однако конструкции, которые они сделали, были слишком длинными для мембран. Они растянулись в пять раз по сравнению с первоначальной длиной и удерживали эту длину. Исследователи заметили, что эти характеристики схожи с мышечной тканью, поэтому решили сместить акцент.
Исследователи находятся на ранней стадии проекта, и в дальнейшем они планируют узнать больше о структурных изменениях полимера и улучшить некоторые характеристики срабатывания, включая плотность энергии и скорость. Они также могут использовать ту же технику проектирования для создания исполнительных механизмов, которые реагируют на различные раздражители, такие как свет.
