Штучні м'язи своїми руками: виготовлення та особливості

Сучасні роботи можуть багато чого. Але при цьому їм далеко до людської легкості і граціозності рухів. І вина тому - недосконалі штучні м'язи. Вчені багатьох країн намагаються вирішити цю проблему. Стаття буде присвячена короткому огляду їх дивовижних винаходів.

Полімерні м'язи від сінгапурських учених

Крок до більш людиноподібних роботів нещодавно зробили винахідники з Національного університету Сінгапуру. Сьогодні андроїди-важковаговики рухаються за рахунок роботи гідравлічних систем. Істотний мінус останніх - невелика швидкість. Штучні м'язи для роботів, представлені сінгапурськими вченими, дозволяють кіборгам не тільки піднімати предмети, які в 80 разів важче їх власної ваги, але і робити це так само швидко, як і людина.


Інноваційна розробка, розтягується в довжину в п'ять разів, допомагає "обійти" роботам навіть мурах, які, як відомо, можуть переносити предмети в 20 разів важче ваги їх власного тільця. Полімерні м'язи володіють наступними перевагами:

гнучкістю;

вражає міцністю;

еластичністю;

здатність змінювати свою форму за кілька секунд;

можливістю перетворювати кінетичну енергію в електричну.

Однак на цьому вчені не збираються зупинятися - в їх планах створити штучну мускулатуру, яка б дозволила роботу піднімати вантаж, у 500 разів важче його самого!

Відкриття з Гарварду - м'язи з електродів і еластомеру

Винахідники, які працюють в Школі прикладних та інженерних наук Гарвардського університету, які представили якісно нові штучні м'язи для так званих "м'яких" роботів. За словами вчених, їх дітище, яке складається з м'якого еластомеру і електродів, в чиєму складі вуглецеві нанотрубки, за своїми якостями не поступається людської мускулатурі!


Всі існуючі на сьогодні роботи, як уже говорилося, мають у своїй основі приводи, чий механізм - це гідравліка або пневматика. Такі системи працюють за рахунок стисненого повітря або реакції хімічних речовин. Це не дозволяє сконструювати робота, такого м'якого і швидкого, як людина. Гарвардські вчені усунули цей недолік, створивши якісно новий концепт штучних м'язів для роботів. Нова "мускулатура" кіборгів - багатошарова структура, в якій електроди з нанотрубок, створені в лабораторії Кларка, керують верхніми та нижніми шарами гнучких еластомерів, є дітищем вчених з Каліфорнійського університету. Такі м'язи ідеальні як для "м'яких" андроїдів, так і для лапароскопічних інструментів в хірургії. На цьому чудовому винаході гарвардські вчені не зупинилися. Одна з останніх їхніх розробок - це біоробот-скат. Його складові - клітини серцевих м'язів щурів, золото і силікон.

Винахід групи Баухмана: ще один вид штучних м'язів на основі вуглецевих нанотрубок

Ще в 1999 р. в австралійському містечку Кирхберге на 13-й зустрічі Міжнародної зимової школи з електронним властивостями інноваційних матеріалів виступив з доповіддю учений Рей Баухман, що працює в компанії Allied Signal і очолює міжнародну дослідницьку групу. Його повідомлення було на тему виготовлення штучних м'язів.
Розробники під початком Рея Баухмана змогли представити вуглецеві нанотрубки у вигляді листів нанопапіру. Трубочки в цьому винаході були всіляко перекручені та переплутані між собою. Сама нанопапір своїм виглядом нагадувала звичайну - її можливо було тримати в руках, розрізати на смуги і шматочки. Експеримент групи з вигляду був дуже простий - вчені прикріпили шматочки нанопапіру до різним сторонам клейкої стрічки і опустили цю конструкцію в соляній електропровідний розчин. Після того як була включена слабовольтная батарея, обидві наносмужки подовжилися, особливо та, що була пов'язана з негативним полюсом електробатареї; потім папір зігнулась. Модель штучної м'язи функціонувала. Сам Баухман вважає, що його винахід після якісної модернізації істотно змінить роботехнику, адже такі вуглецеві м'язи при згинанні/розгинанні створюють електричний потенціал - виробляють енергію. До того ж така мускулатура в три рази сильніше людської, може функціонувати при дуже високих і низьких температурах, використовуючи для своєї роботи невисоку силу струму і напруги. Цілком можливо її застосування і для протезування людських м'язів.

Техаський університет: штучні м'язи з рибальської волосіні і швейних ниток

Однією з найбільш вражаючих є робота наукового групи з Техаського університету, який розташований в Далласі. Їй вдалося отримати модель штучної мускулатури, по своїй силі і потужності нагадує реактивний двигун - 71 л. с./кг! Такі м'язи в сотні разів сильніше і продуктивніше людських. Але найдивніше тут те, що їх сконструювали з примітивних матеріалів - високоміцної волосіні з полімеру і швейної нитки. Харчування такий м'язи - це перепад температур. Забезпечує його швейна нитка, покрита тонким шаром металу. Однак у майбутньому м'язи роботів можуть підживлюватися від перепадів температур навколишнього середовища. Це властивість, до речі, цілком можна застосовувати для адаптується до погоди одягу та інших подібних пристроїв.
Якщо скручувати полімер в одну сторону, то він буде різко стискатися при нагріванні й швидко розтягуватися при охолодженні, а якщо в іншу - то в корені навпаки. Така нехитра конструкція може, наприклад, обертати габаритний ротор зі швидкістю 10 тис. обертів/хв. Плюс таких штучних м'язів з волосіні в тому, що вони здатні скорочуватися до 50 % від своєї початкової довжини (людські тільки на 20 %). Крім цього, їх відрізняє надзвичайна витривалість - ця мускулатура не "втомлюється" навіть після мільйонного повторення дії!

Від Техасу до Амура

Відкриття вчених з Далласа надихнуло чимало вчених зі всього світу. Успішно повторити їхній досвід, однак, вдалося лише одному роботехнику - Олександру Миколайовичу Семочкину, голові лабораторії інформаційних технологій при БДПУ. Спочатку винахідник терпляче чекав нових статей в Science про масове впровадження в життя винаходу американських колег. Так як цього не відбувалося, амурський вчений вирішив зі своїми однодумцями повторити чудовий досвід і створити своїми руками штучні м'язи з мідного дроту і рибальської волосіні. Але, на жаль, копія виявилася нежиттєздатною.

Натхнення з "Сколково"

Повернутися до майже покинутим дослідам Олександра Сьомочкіна змусив випадок - вчений потрапив на роботехническую конференцію в "Сколково", де познайомився з однодумцем із Зеленограда, керівником компанії "Нейроботикс". Як виявилося, інженери цієї фірми теж зайняті створенням м'язів з лісок, які цілком життєздатні. Повернувшись на батьківщину, Олександр Миколайович з новими силами взявся за роботу. За півтора місяці він зміг не тільки зібрати працездатні штучні м'язи, але і створити машину для їх скручування, яка робила витки ліски суворо повторюваними.

Благовіщенська штучна мускулатура

Щоб створити п'ятисантиметрову м'яз, А. Н. Семочкину потрібно кілька метрів дроту і 20 см звичайної рибальської волосіні. Апарат з "виробництва" мускулатури, до речі, надрукований на 3D-принтері, скручує м'яз протягом 10 хвилин. Потім конструкцію на півгодини поміщають у піч, розжарену до +180 градусів за Цельсієм. Привести в дію такі м'яз можна за допомогою електроструму - досить під'єднати його джерело до дроту. У результаті вона починає нагріватися і передавати своє тепло волосіні. Остання витягується або скорочується в залежності від виду м'язи, яку скрутив апарат.

Плани винахідника

Новий проект Олександра Сьомочкіна - "навчити" створені м'язи швидше повертатися в початковий стан. Цьому може допомогти швидке охолодження живильної дроту - вчений припускає, що такий процес буде відбуватися швидше під водою. Після того як подібна м'яз буде отримана, першим її власником стане Искандерус - антропоморфний робот БДПУ. Вчений не тримає свій винахід в таємниці - викладає ролики на "Ютуб", а також планує написати статтю з докладною інструкцією по створенню машинки, скручивающей м'язи з волосіні і дроту. Час не стоїть на місці - штучні м'язи, про які ми вам розповіли, що вже застосовуються у хірургії для проведення ендо - і лапароскопічних операцій. А в лабораторії "Дісней" з їх участю зібрали функціонуючу руку.