Новая технология создания искусственных мышц
Нейлоновые или полиэтиленовые волокна, которые при нагревании сокращаются, могут быть использованы для изготовления искусственных мышц. И их изготовление менее дорогое, а сам материал более износостойкий по сравнению с другими. Для создания роботов, обычно за образец берут человеческое тело. И искусственные мышцы позволяют, например, укреплять двигательную функцию. Международная группа последователей Рэя Богмана (Ray Baughman) из Института нанотехнологий Техасского университета (США) доказали, что нейлон и полиэтилен подходят для воспроизведения работы биологических мышц. Множество материалов были изучены, прежде чем создать искусственные мышцы: металлы или полимеры с памятью форм, волокна в основе углеродных нанотрубок, проводниковые полимеры и т.д. Но они все имеют определенные недостатки: слишком высокую стоимость, быстрый износ, тенденцию к сохранению формы после деформации.
Рэй Богман и его коллеги показали, что витые волокна нейлона или полиэтилена имеют такие преимуществ, как конечная стоимость, отсутствие гитерезиса и долговечность. Отсутствие гитерезиса, то есть особенности запоминания формы при деформации, обеспечивает дальнейшее точное управление сжатием.
Главным достижением стало то, что они превосходят мускулы млекопитающих. Как это возможно? Нейлоновые или полиэтиленовые волокна, при нагревании могут имитировать мышечную деятельность. Но эти сокращения относительно слабые: 4 к 100 для нейлона при возможности нагревания волокон до 240 ºС и 0,3 к 100 для полиэтилена, температура нагревания которого до 130 ºС (полиэтилен ограничен в температуре плавления больше, чем нейлон). Чтобы увеличить способность сжимания, была воплощена идея обматывания волокон вокруг самих себя. Сжимание витых волокон подняло соотношение до 34 к 100 и 16 к 100 соответственно. Полиэтилен обладает меньшей сжимаемостью, зато ему характерны свойства большей сопротивляемости. Это преимущество позволяет поднимать огромные массы. К тому же, характеризуемый процесс вполне обратим: охлаждаясь, витые волокна снова обретают первоначальные размеры.
Исследователи изучили, каким образом скручивание волокон влияет на конечный получаемый результат. Нейлоновые или полиэтиленовые волокна, скрученные сами по себе, затем обвивают вокруг цилиндра, чтобы добиться структуры, схожей с телефонным проводом. Увеличивая радиус цилиндра и шаг между витками, волокна приобретают сокращаемость, но в ущерб своей сопротивляемости в натянутом состоянии. Регулируя параметры, Рэй Богман и его коллеги, создали искусственные мышцы, одинаковые по длине и массе с человеческими, но способные поднимать массы в 100 раз тяжелее.
С другой стороны, значение относительной деформации (скручивания) волокон раскрывает определенные свойства. Если виток и скрутка сделаны в одинаковом направлении, то волокна сжимаются при нагревании. Но если виток и скрутка в противоположных направлениях, тогда волокна при нагревании вытягиваются. Действительно, процесс нагревания позволяет расширять диаметр витых волокон, которые в каждом месте создают пару сил, которая при натягивании ослабляет скручивание. Если скрутка в одном направлении, что и витки, пара натягивается в сближении двух последующих витков, которые сжимаются совместно; напротив, если скручивание в противоположном направлении, пара сил раздвигает последующие витки, которые удлиняют волокна.
Свойства и способности нейлоновых или полиэтиленовых волокон могут проявляться в зависимости от температуры окружающей среды, от температуры воды, в которую могут быть погружены под контролем. Например, затянутые волокна в одежде могли бы раздвигать петли, когда температура поднимается, и сжиматься (или оставаться как есть) при охлажденном воздухе. Множество применений будет предусматриваться для дешевых и высокопрочных волокон: производство искусственных мышц для роботов, протезов, использование технологии для создания «умной одежды» и т.д.
По материалам Pour La Science.
Екатерина Свищева nauka21vek.ru