Современные роботы могут многое. Но при этом им далеко до человеческой легкости и грациозности движений. И вина тому - несовершенные искусственные мышцы. Ученые многих стран стараются решить эту проблему. Статья будет посвящена краткому обзору их удивительных изобретений.
Полимерные мышцы от сингапурских ученых
Шаг к более недавно сделали изобретатели из Национального Сегодня андроиды-тяжеловесы двигаются за счет работы гидравлических систем. Существенный минус последних - небольшая скорость. Искусственные же мышцы для роботов, представленные сингапурскими учеными, позволяют киборгам не только поднимать предметы, которые в 80 раз тяжелее их собственного веса, но и делать это так же быстро, как и человек.
Инновационная разработка, растягивающаяся в длину в пять раз, помогает "обойти" роботам даже муравьев, которые, как известно, могут переносить предметы в 20 раз тяжелее веса их собственного тельца. Полимерные мышцы обладают следующими достоинствами:
- гибкостью;
- поражающей прочностью;
- эластичностью;
- способностью менять свою форму за несколько секунд;
- возможностью преобразовывать кинетическую энергию в электрическую.
Однако на этом ученые не собираются останавливаться - в их планах создать искусственную мускулатуру, которая бы позволила роботу поднимать груз, в 500 раз тяжелее его самого!
Открытие из Гарварда - мышцы из электродов и эластомера
Изобретатели, которые трудятся в Школе прикладных и инженерных наук Гарвардского университета, представили качественно новые искусственные мышцы для так называемых "мягких" роботов. По словам ученых, их детище, состоящее из мягкого эластомера и электродов, в чьем составе углеродные нанотрубки, по своим качествам не уступает человеческой мускулатуре!
Все существующие на сегодня роботы, как уже говорилось, имеют в своей основе приводы, чей механизм - это гидравлика или пневматика. Такие системы работают за счет сжатого воздуха или реакции химических веществ. Это не позволяет сконструировать робота, такого же мягкого и быстрого, как человек. Гарвардские ученые устранили этот недостаток, создав качественно новый концепт искусственных мышц для роботов.
Новая "мускулатура" киборгов - многослойная структура, в которой электроды из нанотрубок, созданные в лаборатории Кларка, управляют верхними и нижними слоями гибких эластомеров, являющихся детищем ученых уже из Калифорнийского университета. Такие мышцы идеальны как для "мягких" андроидов, так и для лапароскопических инструментов в хирургии.
На этом замечательном изобретении гарвардские ученые не остановились. Одна из последних их разработок - это биоробот-скат. Его составляющие - клетки сердечных мышц крыс, золото и силикон.
Изобретение группы Баухмана: еще один вид искусственных мышц на основе углеродных нанотрубок
Еще в 1999 г. в австралийском городке Кирхберге на 13-й встрече Международной зимней школы по электронным свойствам инновационных материалов выступил с докладом ученый Рей Баухман, работающий в компании Allied Signal и возглавляющий международную исследовательскую группу. Его сообщение было на тему изготовления искусственных мышц.
Разработчики под началом Рэя Баухмана смогли представить в виде листов нанобумаги. Трубочки в этом изобретении были всячески переплетены и перепутаны между собой. Сама нанобумага своим видом напоминала обычную - ее возможно было держать в руках, разрезать на полосы и кусочки.
Эксперимент группы с виду был очень прост - ученые прикрепили кусочки нанобумаги к разным сторонам клейкой ленты и опустили эту конструкцию в соляной электропроводный раствор. После того как была включена слабовольтная батарея, обе нанополоски удлинились, особенно та, что была связана с отрицательным полюсом электробатареи; затем бумага изогнулась. Модель искусственной мышцы функционировала.
Сам Баухман считает, что его изобретение после качественной модернизации существенно преобразит роботехнику, ведь такие углеродные мышцы при сгибании/разгибании создают электрический потенциал - производят энергию. К тому же такая мускулатура раза в три сильнее человеческой, может функционировать при крайне высоких и низких температурах, используя для своей работы невысокую силу тока и напряжения. Вполне возможно ее применение и для протезирования человеческих мышц.
Техасский университет: искусственные мышцы из рыболовной лески и швейных ниток
Одной из самых поразительных является работа ученой группы из Техасского университета, который расположен в Далласе. Ей удалось получить модель искусственной мускулатуры, по своей силе и мощности напоминающей реактивный двигатель - 7,1 л.с./кг! Такие мышцы в сотни раз сильнее и продуктивнее человеческих. Но самое удивительное здесь то, что их сконструировали из примитивных материалов - высокопрочной лески из полимера и швейной нитки.
Питание такой мышцы - это перепад температур. Обеспечивает его швейная нить, покрытая тонким слоем металла. Однако в будущем мышцы роботов могут подпитываться от перепадов температур окружающей их среды. Это свойство, кстати, вполне можно применять для адаптирующейся к погоде одежды и других подобных устройств.
Если скручивать полимер в одну сторону, то он будет резко сжиматься при нагревании и быстро растягиваться при охлаждении, а если в другую - то в корне наоборот. Такая нехитрая конструкция может, например, вращать габаритный ротор со скоростью 10 тыс. оборотов/мин. Плюс таких искусственных мышц из лески в том, что они способны сокращаться до 50 % от своей исходной длины (человеческие только на 20 %). Кроме этого, их отличает удивительная выносливость - эта мускулатура не "устает" даже после миллионного повторения действия!
От Техаса до Амура
Открытие ученых из Далласа вдохновило немало ученых со всего мира. Успешно повторить их опыт, однако, удалось только одному роботехнику - Александру Николаевичу Семочкину, главе лаборатории информационных технологий при БГПУ.
Вначале изобретатель терпеливо ждал новых статей в Science о массовом внедрении в жизнь изобретения американских коллег. Так как этого не происходило, амурский ученый решил со своими единомышленниками повторить замечательный опыт и сотворить своими руками искусственные мышцы из медной проволоки и рыболовной лески. Но, увы, копия оказалась нежизнеспособной.
Изобретение относится к области бионического протезирования, а именно к искусственным мышцам, представляющим собой композиционные материалы, подверженные воздействию слабых электрических импульсов. Искусственная мышца содержит нейлоновое и/или полиэтиленовое волокно, при этом она представляет собой среду из, по меньшей мере, одного полиорганосилоксана, по меньшей мере, одной эпоксидной смолы и, по меньшей мере, одного катализатора полимеризации эпоксидной смолы. Мышца прошита одной или более нитями, по крайней мере, одного интерметаллида с памятью формы и нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном. Технический результат заключается в обеспечении малого времени отклика и возможности быстрого сокращения под действием электрических импульсов, в частности с плотностью тока до 20 мА/см 2 , в исключении возможности бесконтрольного сокращения под действием температуры окружающей среды и в придании искусственной мышце свойства самовосстановления. 10 з.п. ф-лы, 2 табл.
Искусственная мышца
Изобретение относится к области бионического протезирования, а именно к искусственным мышцам, представляющим собой композиционные материалы, способные сокращаться под воздействием слабых электрических импульсов. Искусственная мышца может быть использована в медицине как составная часть бионических конечностей или же как самостоятельный имплантат, а также в робототехнике при производстве высокоточных манипуляторов.
Широко известна проблема создания материалов, по химическому сродству и механическим свойствам близких к живому мышечному волокну, посредством которого происходит движение в теле человека или животного. На данный момент разработано несколько видов искусственных мышц, однако на пути использования каждого из них возникает ряд проблем, касающихся стоимости материалов и ограниченности использования.
Известна гидравлическая искусственная мышца, включающая первый соединитель с закрытым концом, эластичную резиновую трубку, сплетенные нити высокопрочного волокна, обвитые вокруг упомянутой трубки, второй соединитель с закрытым концом, через который в трубку поступает вода, два кольцеобразных зажима, расположенных по краям мышцы, два кольцеобразных зажима, расположенных в средней части мышцы, и два крепежных элемента в форме конуса, обращенного внутрь мышцы (CN 103395072 A, A61F 2/50, 20.11.2013). Описанная мышца имеет очень ограниченную применимость: ее использование возможно только в робототехнике, основанной на гидравлических системах.
Известна искусственная мышечная ткань, представляющая собой углеродные нанотрубки, пропитанные воском и скрученные по спирали (журнал Sciense, том 338, страницы 928-932, 16.11.2012).
Описанная искусственная мышечная ткань способна поднять вес, превосходящий ее собственный в сто тысяч раз, однако она имеет очень высокую стоимость и при этом отличается повышенной чувствительностью к факторам окружающей среды: перепады температуры или микротоки способны привести к ее непроизвольному сокращению.
Наиболее близким аналогом заявленной искусственной мышцы является нейлоновое или полиэтиленовое волокно, скрученное по спирали (http://nauka21vek.ru/archives/56843, 26.02.2014).
Преимущества данного волокна заключаются в его способности быстро сокращаться при нагревах, а также его низкой стоимости, однако вместе с этим оно имеет ряд недостатков. Наравне с его восприимчивостью к нагревам оно не способно полноценно сокращаться под воздействием слабых электрических импульсов, таких как нервные. В связи с этим для создания протезов конечностей возникает необходимость применять усилители и преобразователи электрического сигнала в тепловой, что, в свою очередь, требует использования источников питания (батареек, аккумуляторов). Повышенная чувствительность волокна к температуре окружающей среды может привести к непроизвольному сокращению мышц и, соответственно, движению искусственной конечности. В связи с этим возникает необходимость использовать теплоизоляторы. Вышеперечисленные условия усложняют конструкцию и себестоимость протеза, а также создают неудобства в использовании.
Задачей предложенного изобретения является создание безвредной и недорогой искусственной мышцы, способной воспринимать нервные импульсы или импульсы, аналогичные им.
Техническим результатом предложенного изобретения является обеспечение малого времени отклика и возможности быстрого сокращения под действием электрических импульсов, в частности, с плотностью тока до 20 мА/см 2 , исключение возможности бесконтрольного сокращения под действием температуры окружающей среды и придание искусственной мышце свойства самовосстановления.
Технический результат достигается за счет того, что предложена искусственная мышца, содержащая нейлоновое и/или полиэтиленовое волокно, при этом она представляет собой среду из по меньшей мере одного полиорганосилоксана, по меньшей мере одной эпоксидной смолы и по меньшей мере одного катализатора полимеризации эпоксидной смолы, причем мышца прошита одной или более нитями по крайней мере одного интерметаллида с памятью формы и нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном.
Интерметаллид с памятью формы может быть выбран из группы: Ti-Ni, Zr-Ni, Fe-Mn-Si и сплав Гейслера. Эффект памяти формы у перечисленных интерметаллидов является наиболее выраженным. Кроме того, Fe-Mn-Si является наиболее дешевым, Ti-Ni - наиболее распространенным и изученным, Zr-Ni имеет высокую ответную реакцию на электрические импульсы.
Для дополнительного упрочнения, придания мышце сглаженных и более прямолинейных движений она может быть дополнительно прошита нитями эластомера.
Для увеличения амплитуды сокращения искусственной мышцы под действием электрического импульса желательно, чтобы нейлоновое и/или полиэтиленовое волокно было скручено по спирали.
Для увеличения реакции мышцы на импульс тока и придания точности движения желательно, чтобы одна или более нитей по крайней мере одного интерметаллида с памятью формы были скручены по спирали.
Для дополнительного увеличения скорости сокращения искусственной мышцы, более плавного начала и конца ее сокращения под действием электрического импульса, а также для снижения внутреннего трения желательно, чтобы одна или более нитей по крайней мере одного интерметаллида с памятью формы были скручены с нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном по спирали вокруг друг друга.
Для повышения сцепления одна или более нитей по крайней мере одного интерметаллида с памятью формы и нейлоновое и/или полиэтиленовое волокно могут быть соединены со средой из по меньшей мере одного полиорганосилоксана посредством склеивания или высокотемпературного нагрева с последующим охлаждением.
В качестве катализатора полимеризации эпоксидной смолы можно использовать катализатор Граббса, который является наиболее доступным и распространенным.
Для дополнительного упрочнения, увеличения скорости сокращения под действием тока и улучшения восприимчивости к слабым токовым импульсам искусственная мышца может быть дополнительно прошита волокном углеродных нанотрубок.
В случае соприкосновения нескольких искусственных мышц для уменьшения трения между ними желательно, чтобы на поверхность искусственной мышцы был нанесен слой из полиметилсилоксана.
Для того чтобы сократить стоимость искусственной мышцы при сохранении высокой прочности и скорости реагирования на электрические импульсы, она может иметь следующее содержание компонентов, мас. %:
Полиорганосиликаны имеют ряд преимуществ по сравнению с другими имитаторами живых тканей. Изделия из них являются наиболее безвредными и долговечными, имеют очень низкую температуру стеклования (около -130°C), способны копировать и сохранять заданный им внешний вид, а также по консистенции они близки к биологическим тканям, например натуральным мышцам.
Известен ряд материалов с памятью формы, для которых также возможен эффект самовосстановления. Одним из наиболее распространенных примеров такого материала служит интерметаллид Ni-Ti (нитинол), в котором на один атом титана приходится один атом никеля. Если выполненное из него изделие деформировать, то при нагревании оно снова примет прежнюю форму. Наравне с нагревом в виду наличия некоторого сопротивления вернуть форму изделию можно также посредством пропускания через него тока. В случае если изделие представляет собой тонкую нить, это можно сделать даже небольшим током, например до 20 мА/см 2 , который течет по нервным волокнам.
Запоминание своего положения при тех или иных условиях, а также возможность самовосстановления обусловлены эффектом дисклинации, при котором происходит миграция зерен на границах дефектных зон, то есть металлические дефекты обретают поля напряжений с настолько интенсивными зарядами, что края трещин сближаются и поврежденный интерметаллид регенерируется.
Было установлено, что подобным свойством могут обладать некоторые другие интерметаллиды на основе никеля, в которых второй компонент в чистом виде имеет гексагональную плотно упакованную или кубическую объемно-центрированную решетку. К таким интерметаллидам относятся Ni-Zr и Ni-V. Использование последнего в медицинских целях исключается ввиду повышенной токсичности ванадия и его соединений, однако его применение возможно в робототехнике при создании манипуляторов.
Исследование интерметаллида Ni-Zr, в котором на один атом никеля приходится один атом циркония, показало, что он способен немного быстрее реагировать на электрические импульсы, нежели нитинол (Ti-Ni), что скорее всего связано с теплопроводностью второго компонента: теплопроводность циркония при 300 K составляет 22,7 Вт/(м·К), а титана - 21,9 Вт/(м·К).
Известно проявление памяти формы под воздействием магнитного поля у интерметаллидного соединения, называемого сплавом Гейслера и имеющего следующую формулу: X 2 YZ, где X, Y, Z - разные металлы. Наиболее распространенным видом данного сплава является Ni 2 MnGa. Память формы вызывается мартенситным фазовым переходом и может также обеспечиваться электрическими импульсами, меняющими магнитное поле сплава Гейслера.
Помимо вышеперечисленных, известен также интерметаллид с памятью формы - Fe-Mn-Si, который отличается низкой стоимостью.
Также известны другие материалы с памятью формы, например такие, как интерметаллиды: Au-Cd, Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni, Fe-Mn-Si, Fe-Ni, Cu-Al, Cu-Mn, Co-Ni и Ni-Al. Однако в виду их слабовыраженных свойств памяти формы и самовосстановления их сложнее использовать на практике.
Таким образом, для управления бионической мышцей электрическими импульсами ее необходимо прошить нитями по крайней мере одного интерметаллида с памятью формы, при этом толщину нитей следует подбирать исходя из величины поступающих сигналов. Очевидно, что для восприятия малых нервных импульсов толщина нитей должна быть небольшой - порядка 0,02-0,5 мм. Для восприятия сильных импульсов толщина может составлять несколько миллиметров и более того.
Вместе с тем использование подобного интерметаллида без среды, которая играет роль теплоизолятора и электроизолятора (в данном случае полиорганосилоксан), приводит к чувствительности интерметаллида к температуре окружающей среды и таким образом его движение становится неконтролируемым.
Существуют материалы, способные быстро сжиматься под тепловым воздействием. Ими являются полиэтиленовое и нейлоновое волокна, отличающиеся низкой стоимостью, высокой прочностью и износостойкостью. Однако их использование в качестве искусственных мышц без нитей интерметаллидов с памятью формы приводит к ряду проблем. Ввиду небольшой электропроводности волокон слабые токовые импульсы не способны привести такие мышцы в действие без дополнительных электронных устройств. Однако в случае синхронного воздействия импульса и на интерметаллидные нити с памятью формы, и на нейлоновое и/или полиэтиленовое волокно мышцы через некоторое количество повторяющихся импульсов становятся способны сокращаться с большой амплитудой и скоростью. Это связано с цепной реакцией: первый импульс приводит к небольшому сокращению волокна, провоцирующему небольшое сжатие интерметаллида, с которым он находится в одной системе, соединенной полиорганосилоксановой средой, второй импульс уже непосредственно сжимает интерметаллид, запомнивший свое прежнее положение при токе с определенными характеристиками (сила, частота), в связи с чем волокно сокращается с большей амплитудой. С третьим и последующими импульсами искусственная мышца начинает работать с высокой скоростью и амплитудой движения. Таким образом, искусственная мышца может полноценно работать только при подаче электрического импульса и на волокно, и на интерметаллидные нити одновременно.
Прошивание искусственной мышцы нитями эластомера дополнительно упрочнит ее и позволит совершать более сглаженные и плавные движения при сохранении прочих параметров. В качестве эластомера допустимо применять различные каучуки и резины, желательно, с высокой эластичностью и сопротивлением раздиру.
Наличие в составе искусственной мышцы эпоксидной смолы наравне с катализатором ее полимеризации, например наиболее доступного катализатора Граббса, позволит мышце за короткий период времени восстановиться в случае повреждений, например механических, химических или тепловых.
При нагревании в развернутом виде нейлоновое волокно способно сокращаться лишь на 4/100, полиэтиленовое - на 3/1000. Однако в случае скручивания данных волокон по спирали нейлоновое приобретает способность сжиматься на 34/100, а полиэтиленовое - на 16/100. Этот эффект объясняется простым физическим явлением: в выпрямленном виде нить сокращается за счет увеличения ее толщины, во втором случае она сокращается и за счет увеличения ее толщины, и за счет сокращения спирали. Указанные выше значения близки к способности сокращения натуральных мышечных волокон и могут позволить их аналогу поднимать груз большой массы.
В том случае если нити интерметаллидов с памятью формы скручены по спирали, реакция искусственной мышцы на один и тот же импульс тока становится лучше: по скорости, степени сокращения и прямолинейности движений, то есть отсутствуют колебания, перпендикулярные оси прохождения спиралей интерметаллидных нитей. Скорость и степень сокращения интерметаллидов объясняются аналогичным эффектом, как в случае нейлоновых и полиэтиленовых волокон. Отсутствие перпендикулярных колебаний объясняется следующим. Движение интерметаллида в виде выпрямленной нити сложнее предсказать ввиду того, что оно определяется памятью кристаллической структуры металла лишь на сечении тонкой нити. В случае если температура в силу каких-то факторов на одном участке нити станет сильно отличаться от температуры на других участках, это может привести к некорректному движению искусственной мышцы. Вместе с тем движение интерметаллида в виде нити, скрученной по спирали, станет определяться памятью кристаллической структуры металла на всем сечении витка спирали, что способствует стабилизации и прямолинейности движений.
Если нити интерметаллидов с памятью формы будут скручены вместе с волокном по спирали вокруг друг друга, это приведет к ряду положительных эффектов, а именно: к более плавному началу и концу сокращения искусственной мышцы под действием электрического импульса, к дополнительному увеличению скорости сокращения и к снижению внутреннего трения. Поскольку чувствительные к токовому импульсу материалы реагируют на ток с различной скоростью (например, интерметаллид ввиду своей высокой электропроводности откликается на токовый импульс быстрее), их переплетение приведет к их синхронному движению, что сократит трение внутри материала и, соответственно, уменьшит его износ.
Помимо этого, стоит отметить, что вшивание нитей интерметаллида и волокна в скрученном состоянии увеличивает их сцепление с основой и таким образом во время сокращения в мышце не происходит внутреннего трения и она работает с максимальной эффективностью.
Для дополнительного улучшения сцепления, что в большей степени требуется, если нить находится в выпрямленном состоянии, ее можно соединять с полиорганосилоксановой основой, например, посредством склеивания или высокотемпературного нагрева с последующим охлаждением. В случае последнего полиорганосилоксан вначале размягчается, а при дальнейшем охлаждении срастается с нитью.
Склеивание лучше проводить клеем на основе эпоксидной смолы, которая в случае разрыва быстро полимеризуется под действием катализатора.
Искусственная мышца может быть дополнительного прошита волокном углеродных нанотрубок, которое также сокращается под действием электрических импульсов и при этом обладает высокими прочностными свойствами, реагирует на импульсы с высокой скоростью и имеет хорошую восприимчивость к слабому току. Таким образом, его наличие может несколько улучшить прочность и амплитуду сокращения мышцы, однако стоимость последней в таком случае увеличится.
Также учитывая хоть и менее, но все равно довольно высокую стоимость интерметаллидов, в особенности Ni-Ti, для удешевления искусственной мышцы при незначительной потере прочности и скорости реагирования на электрические импульсы лучше использовать мышцу следующего состава, мас. %:
Предложенная искусственная мышца может использоваться как составная часть бионических конечностей, так и служить в качестве самостоятельного имплантата, заменяющего живую мышцу. В последнем случае концы искусственных мышц можно соединять с костью посредством медицинских клеев, таких как цианоакрилатный клей, остеопласт и прочие.
В тех случаях, когда необходимо заменить лишь отдельный участок живой мышцы, ее искусственный аналог можно также склеивать с поврежденной живой мышцей, однако в такой ситуации велика вероятность ее неприживления. Такие факторы, как сокращение, тканевое дыхание мышечных волокон, постоянный обмен веществ и прочие химические процессы могут послужить причиной отторжения имплантата. В виду изложенного во время имплантации предложенную искусственную мышцу рекомендуется склеивать с костной, нежели с мышечной тканью. Таким образом, поврежденную живую мышцу можно полностью заменить искусственной, однако восстановить отдельный ее участок с помощью искусственного аналога на данном этапе весьма проблематично.
Было изготовлено 5 образцов цилиндрической формы размером 40×7 мм. Вначале произвели смешивание полиорганосилоксана, эпоксидной смолы и катализатора ее полимеризации, причем смешивание проводили в две стадии. На первой стадии при температуре его плавления в полиорганосилоксан, аккуратно помешивая его по часовой стрелке, добавили небольшое количество отвердителя полиорганосилоксана - перекись бензоила. Вслед за этим после небольшого загущения в него ввели эпоксидную смолу. Когда по мере остывания и действия отвердителя смесь стала еще более густой, продолжая ее аккуратно помешивать по часовой стрелке, на второй стадии в нее ввели катализатор полимеризации эпоксидной смолы.
Равномерное помешивание в одном направлении постепенно загущающегося полиорганосилоксана и поочередное введение эпоксидной смолы (при менее густой консистенции среды) и катализатора ее полимеризации (при более густой консистенции среды) привели к тому, что данные компоненты постепенно застыли в массе полиорганосилоксана, имея фазовое разделение между собой и в большей степени не прореагировав. При этом, поскольку смола была введена при менее густой консистенции среды, ее распространение в искусственной мышце является более обширным в отличие от катализатора полимеризации.
Практически застывшую полученную смесь загрузили в цилиндрическую форму, остудили до температуры 65°C, прошили ее насквозь вдоль оси цилиндра нитями интерметаллида, нитями эластомера, волокном из углеродных нанотрубок, нейлоновым и полиэтиленовым волокном, после чего полученную заготовку остудили до комнатной температуры, в процессе чего произошло ее доотверждение и прочная фиксация нитей в среде, и извлекли из формы. Прошивку производили либо прямой иглой, либо иглой, выполненной по спирали. Состав и характеристика образцов представлены в таблице 1.
Образцы прошили насквозь 2-мя проводками токопроводящего полимера - политиофена таким образом, что проводки имели площадь соприкосновения с каждой нитью интерметаллида, нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном и волокном из углеродных нанотрубок.
Верхнюю часть образца со вставленными в него проводками закрепили в сдавливающем металлическом кольце, а провода из токопроводящего полимера подключили к источнику питания.
Через нижнюю часть образца продели капроновую нитку с подвешенной гирькой весом 250 г.
Далее на образец начали подавать ток по следующему режиму: 1,5 секунды - подача тока, 1 секунда - пауза, при этом после третьего импульса замерялись время задержки сигнала (время отклика), скорость и степень сокращения искусственной мышцы. Первые два импульса не брались в расчет, поскольку интерметаллиды еще не "запомнили" движение-сокращение.
Сделав несколько замеров, образцы обдували теплым воздухом (около 50°C) в течение 10 секунд и в это время также измеряли скорость и степень сокращения искусственной мышцы.
Также измеряли эти параметры и при одновременной подаче тока и температурном нагреве.
После этого образцам нанесли повреждения: в средней его части сделали прорезь, повредив нити и волокна. Затем 1-ый и 3-ий образцы оставили в покое, а на 2-ой, 4-ый и 5-ый начали подавать ток в третий раз по тому же режиму.
Характеристика подаваемого тока, свойства и реакции искусственной мышцы на импульсы тока, температуру окружающей среды и повреждения приведены в таблице 2.
Согласно полученным данным предложенная бионическая мышца обладает незначительным временем отклика, она способна сокращаться под действием слабых электрических импульсов, причем степень бесконтрольного сокращения под действием температуры окружающей среды настолько мала, что ею можно пренебречь.
Также предложенная мышца обладает свойством самовосстановления в короткий промежуток времени, причем при подаче токового сигнала скорость и степень восстановления увеличиваются. На скорость ответной реакции мышцы на токовые импульсы влияют такие параметры, как частота тока, а также геометрия расположения интерметаллидных нитей и волокна, если их скрутить по спирали и, даже более того, если их скрутить по спирали вокруг друг друга, то скорость реакции мышцы увеличится.
При наличии нитей эластомера все вышеописанные характеристики мышцы остаются примерно такими же, однако ее движения становятся более сглаженными.
Волокно из углеродных нанотрубок имеет незначительное влияние на скорость отклика, прочность и степень сокращения. Следовательно, его наличие не является обязательным и его можно вводить в мышцу, ориентируясь на стоимость.
С учетом того что предложенная искусственная мышца способна обеспечить достижение заявленного технического результата, можно судить о том, что вопросы со стороны миологии, касающиеся имплантации, были решены. В то же время остается вопрос со стороны неврологии, а именно касающийся подвода к мышцам токового сигнала от нерва (в том числе посредством искусственного нерва).
Поскольку почти все химические вещества, входящие в состав предложенной искусственной мышцы, являются недорогими, а самый ценный компонент - нитинол не требует большого расходования, заявленное изобретение из-за относительно невысокой стоимости также может широко применяться в робототехнике и машиностроении, например, при производстве высокоточных манипуляторов.
1. Искусственная мышца, содержащая нейлоновое и/или полиэтиленовое волокно, отличающаяся тем, что она представляет собой среду из по меньшей мере одного полиорганосилоксана, по меньшей мере одной эпоксидной смолы и по меньшей мере одного катализатора полимеризации эпоксидной смолы, причем мышца прошита одной или более нитями по крайней мере одного интерметаллида с памятью формы и нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном.
2. Искусственная мышца по п. 1, отличающаяся тем, что интерметаллид с памятью формы выбран из группы: Ti-Ni, Zr-Ni, Fe-Mn-Si и сплав Гейслера.
3. Искусственная мышца по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно прошита нитями эластомера.
4. Искусственная мышца по п. 1, отличающаяся тем, что нейлоновое и/или полиэтиленовое волокно скручено по спирали.
5. Искусственная мышца по п. 1, отличающаяся тем, что одна или более нитей по крайней мере одного интерметаллида с памятью формы скручены по спирали.
6. Искусственная мышца по п. 1, отличающаяся тем, что одна или более нитей по крайней мере одного интерметаллида с памятью формы скручены с нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном по спирали вокруг друг друга.
7. Искусственная мышца по п. 1, отличающаяся тем, что одна или более нитей по крайней мере одного интерметаллида с памятью формы и нейлоновое и/или полиэтиленовое волокно соединены со средой из по меньшей мере одного полиорганосилоксана посредством склеивания или высокотемпературного нагрева с последующим охлаждением.
8. Искусственная мышца по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве катализатора полимеризации эпоксидной смолы используют катализатор Граббса.
9. Искусственная мышца по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно прошита волокном углеродных нанотрубок.
10. Искусственная мышца по п. 1, отличающаяся тем, что на ее поверхность нанесен слой из полиметилсилоксана.
11. Искусственная мышца по п. 3, отличающаяся тем, что она имеет следующее содержание компонентов, мас. %:
Похожие патенты:
Изобретение относится к электронной технике СВЧ. В мощном полевом транзисторе СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре упомянутая полупроводниковая гетероструктура выполнена в виде последовательности следующих основных слоев, по меньшей мере, одного буферного слоя GaAs толщиной не менее 200 нм, группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, в составе собственно канального слоя InyGa1-yAs толщиной 12-18 нм и, по меньшей мере, двух δn-слоев, легированных донорной примесью, и двух спейсерных i-слоев AlxGa1-xAs толщиной каждый 1-3 нм, попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя, двух групп барьерных слоев AlxGa1-xAs, каждая в виде i-p-i системы барьерных слоев, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная, другая - с противоположной стороны - затворная, при этом барьерные слои в каждой i-p-i системе имеют толщину (100-200, 4-15, 2-10) нм в подложечной, (2-10, 4-10, 4-15) нм в затворной соответственно, уровень легирования акцепторной примесью (4-20)×1018 см-2 соответственно, барьерного слоя i-GaAs толщиной 5-30 нм, слоя омического контакта n+-GaAs толщиной (10-60) нм электродов истока и стока, при этом электрод затвора выполнен длиной не более 0,5 мкм.
Изобретение относится к электронной технике. Полупроводниковая гетероструктура для мощного полевого транзистора СВЧ содержит на монокристаллической полуизолирующей подложке арсенида галлия последовательность полупроводниковых слоев каждый с заданными функциональными свойствами и техническими характеристиками - толщиной слоев, составом - качественным и количественным, концентрацией легирующей примеси.
Изобретение относится к экспериментальной медицине и может быть использовано при ранней диагностике и лечении опухолей, индуцированных в эксперименте. Для раннего МРТ выявления опухолей, инвазий и метастазов животному вводят комбинации МРТ-негативных контрастных нанопрепаратов с позитивными МРТ контрастными препаратами.
Изобретение относится к электронной технике СВЧ. В мощном полевом транзисторе СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре упомянутая гетероструктура выполнена в виде последовательности следующих основных слоев: по меньшей мере одного буферного слоя GaAs толщиной не менее 200 нм, группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, в составе собственно канального слоя InyGa1-yAs толщиной 12-20 нм и по меньшей мере двух δn-слоев, легированных донорной примесью, и двух спейсерных i-слоев AlxGa1-xAs, толщиной каждый 1-3 нм, двух групп барьерных слоев AlxGa1-xAs, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная, другая - с противоположной стороны - затворная, при этом подложечная группа барьерных слоев выполнена в виде акцепторно-донорной p-i-δn системы барьерных слоев, затворная группа барьерных слоев - в виде донорно-акцепторной δn-i-p системы барьерных слоев, при этом в каждой группе барьерных слоев i-слой выполнен толщиной 0,5-10 нм, p-слой выполнен с уровнем легирования, обеспечивающим высоту потенциальных барьеров 0,4-0,8 ширины запрещенной зоны AlxGa1-xAs, δn-слой выполнен с избыточным уровнем легирования, обеспечивающим разницу поверхностной плотности донорной и акцепторной примеси равной (1-10)×1012 см-2.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
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.
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 . 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.
UT Dallas
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 | AAAS
Science | 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.
Mehmet Kanik and Sirma Orguc / Massachusetts Institute of Technology
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.
Многие из нас хотели бы быть похожи на Брэда Пита, Вин Дизеля или Арнольда Шварценеггера, в конце концов просто обладать мускулистой и рельефной фигурой. К сожалению, не каждого из нас природа наградила мезоморфным типом телосложения, квадратным подбородком и твердым как камень прессом. Поэтому мы проводим часы в тренажерном зале и жадно пьем протеиновые коктейли для набора массы. Проходят месяцы и годы, но до заветной фигуры как на обложке журнала еще потеть и потеть. Где же подвох?
А подвох в том, что современная медицина может отсечь все лишнее и вылепить из человеческого тела практически любую воображаемую фигуру. Хирургическое уменьшение груди, липосакция, ботокс и поразительное множество имплантантов, улучшающих форму тела, находятся в пределах досягаемости. Если бы вы знали, сколько силиконовых мышц вставлено в некоторых "атлетов" и сколько они перенесли пластических операций, чтобы получить идеальное тело, ваша зависть однозначно поубавилась бы.
Если же вам лениво утруждать себя тренировками и хочется быстрого результата путем хирургических модификациий своего тела – эта статья для вас!
Уменьшение размеров груди
Итак, у вас есть небольшой излишек жира в области груди или, возможно, вы мужчина с сильно развитой грудью. В любом случае, ваша цель - ровная, мужественная грудь. Операции по уменьшению груди включают в себя вакуумную откачку жира и отсечение лишней кожи для создания нормальной мужской груди. Вся процедура обычно занимает от одного до двух часов.Риски : данная процедура сопряжена со сравнительно невысокими рисками. Как в случае любого хирургического вмешательства, возможны бактериальные инфекции, но они редки. Вы также можете столкнуться с нечувствительностью сосков и окружающих участков, и эта недостаточная чувствительность может стать постоянной или кратковременной.
Расходы : уменьшение груди может оказаться одной из самых экономичных процедур. Обычно хирурги берут от 1 500 $ до 3 000 $, в зависимости от продолжительности операции.
Имплантанты
Вы провели месяцы в тренажерном зале, но ваша грудь все еще впалая и слабая? Вне зависимости от времени, уделяемого икроножным мышцам, ноги остаются худыми как прутики? Не волнуйтесь, грудные, брюшные и даже ягодичные имплантанты помогут вам приобрести внешность накаченного завсегдатая тренажерного зала всего за несколько часов. Имплантанты, как правило, изготавливаются из силикона и гибкого пластика для имитации упругих мускулов и вводятся в оперируемую область через маленький разрез длиной около нескольких сантиметров. Каждая операция с установкой имплантантов обычно длится от одного до двух часов на одной области.Риски : снова - есть риск инфекции. Опухлость и плотность вокруг имплантанта - распространенное явление, и восстановление занимает от одной до двух недель. Есть риск что имплантанты могут сместиться и придать телу ассиметричную форму.
Расходы : установка имплантантов занимает немного больше времени, чем уменьшение груди или липосакция. Поэтому будьте готовы заплатить от 2 000 $ до 15 000 $ за один имплантант.
Ботокс
Ваши брови постоянно нахмурены с момента повышения по службе 5 лет назад, и сейчас вы похожи на шарпея? Возможно, ботокс - это то, что вы ищете: способ разгладить эти морщины без скальпеля. Ботокс - это убивающий нервы токсин, производимый бактерией Clostridium botulinum. При введении его под морщины он заставляет мышцы лица расслабиться, что в свою очередь разглаживает кожу. Эффект от процедуры наступает в течение пяти дней и длится до шести месяцев. После этого действие лицевых мышц восстановится, и морщины могут вернуться.Риски : несмотря на токсичную природу ботокса, процедура сопряжена с очень незначительным риском. В некоторых случаях инъекция может сперва вызвать обвисание вокруг век, однако этот эффект почти всегда исчезает через несколько недель.
Стоимость : ботокс не дешев. Крошечный пузырек стоит около 450 $. Помня об этом, будьте готовы отдать от 200 $ и 300 $ за инъекцию. И если вы не желаете подпустить морщины снова, вам придется раскошеливаться каждые шесть месяцев.
Липосакция
Ваш план кардио-тренировок имел оглушительный успех, и вы потеряли тонны веса, однако по-прежнему носите карманы с жиром вокруг живота, и жировые складки крепко обхватывают вашу талию?Липосакция может удалить этот жир немедленно, придав совершенную точеную форму вашей фигуре. Во время процедуры хирург вставит специальную трубку - своеобразный ваккуумный отсос, и откачает лишний жир. В зависимости от того, сколько жира было убрано и насколько упруга ваша кожа, хирург может удалить излишек кожи. Вся процедура может занять от одного до четырех часов, в зависимости от количества удаляемого жира.
Риски : хотя липосакция кажется простой процедурой, она в действительности довольно травматична по отношению к области воздействия. Во время процедуры ткани, которые крепят кожу к телу, отрываются, оставляя массивную рану, подлежащую последующему заживлению. Обычным явлением бывают опухлости, иногда настолько большие, что требуется носить плотную компрессионную одежду для сведения их к минимуму. Синяки также распространены, но обычно они исчезают примерно через неделю. Полное восстановление после процедуры может занять до трех недель, но даже тогда в зоне воздействия может сохраняться нечувствительность.
Расходы : в зависимости от степени воздействия липосакция может стоить от 1 500 $ до 15 000 $.
Под нож?
Стремление получить красивую фигуру здесь и сейчас может поселиться в вашем сознании, но не забывайте, что пластическая операция - это хирургическое вмешательство и, следовательно, болезненна и рискованна. На загнивающем западе тысячи мужчин буквально "сходят с ума" по пластическим операциям. Причем огромную популярность набирают именно мышечные имплантанты.Что вы думаете по этому поводу? Силиконовым мышцам быть?