Лента TH Новости Биоинженерия



Искусственные мышцы для сверхчеловека

∴ 524

Искусственные мышцы давно превзошли силу естественных аналогов. Новый продукт предлагает новые возможности.

1463

Исследователи факультета механики и инженерии в Университете штата Иллинойс разработали искусственную мышцу из углеродного волокна и резины, которая может поднять более чем в 12 000 раз больше собственного веса.
Конечно, если вы остерегаетесь искусственных имплантатов, несмотря на их отличную приживаемость благодаря графену, то всегда можете нарастить их из перепрограммированных клеток.

Команда MechSE Illinois начала с создания искусственных мышц с нуля. Ученые создали новые структуры, более сильные и более практичные. Основой мышц стал углерод. Чтобы сделать его более деформируемым, исследователи смешали углеродное волокно с полидиметилсилоксаном (PDMS). Получившаяся смесь была свернута в спиральную структуру.

Скрученные мышцы обычно строились из нейлоновых нитей. Они могут больше сокращений, чем человеческие. Это делает их незаменимым помощником в конструировании вспомогательных устройств. При этом, их можно сделать намного сильнее. Чтобы использовать углеродные волокна, нам нужно было понять механизм сокращения спиральных мышц. Поэтому мы разработали теорию, и адаптировали данную технологию к углеродным волокнам, обратив их в сверхсильные мышцы. Мы просто заполнили жгуты из углеродного волокна подходящим типом силиконового каучука, и их производительность была впечатляющей. Это именно то, к чему мы стремились.Самех Тауфик, соавтор исследования.

Эти мышцы не только сильные, но и гибкие. Для обеспечения данного свойства ученые подавали электрический ток (с небольшим напряжением) к концам мышечного волокна. Ток нагревал силиконовый каучук. Это отталкивало углеродные волокна друг от друга, увеличивая диаметр мышцы и сокращая длину. Таким образом, мышца сокращалась, подтягивая нагрузку, прикрепленную к основанию. Это длинное сокращение также может быть достигнуто за счет подачи жидкого гексана в спиральную мышцу.

В тестах команда обнаружила, что готовые мышцы были очень сильными даже при малом входном напряжении. Искусственный пучок мышц размером всего в 0,4 мм поднимал 1,5 литра воды на высоту в 3,6 сантиметров. Напряжение, необходимое для этого, составило 0,122 вольт на см. Иными словами, искусственная мышца смогла поднять вес, в 12 600 раз больше своего. При этом смогла выдержать до 60 мегапаскалей механического напряжения, продемонстрировала устойчивость к растягиванию, деформируясь более чем на 25 процентов и произвела конкретную работу (работу на единицу веса) до 758 джоулей на кг.

Команда также разработала математическую модель для описания того, как искусственная мышца будет функционировать под разными параметрами. Исследователи говорят, что это может быть использовано для разработки новых искусственных мышц с особыми свойствами, адаптированных к самым разнообразным сферам.

Диапазон применения этих недорогих и легких искусственных мышц действительно широк и включает в себя различные области, такие как робототехника, протезирование, ортопедия и человеческие вспомогательные устройства. Математическая модель, которую мы предложили, представляет собой полезный инструмент проектирования, позволяющий адаптировать производительность спиральных искусственных мышц в соответствии к различным задачам. Кроме того, модель обеспечивает четкое понимание всех параметров, которые играют важную роль в механизме работы мышцы. Это стимулирует развитие будущих исследований как по созданию новых протезов, так и армирования готовых структур вспомогательными элементами.Катерина Ламута, соавтор исследования.

Филипп Дончев