Искусственные мышцы: углеродные трубки и немного парафина

Исследователи из Техасского университета в Далласе (США) вместе с коллегами из Китая, Австралии, Бразилии, Южной Кореи и Канады создали гибкие канатоподобные искусственные мышцы, которые вполне могут отвесить звонкую оплеуху. Они сокращаются за 25 мс (время, за которое человек не успеет даже моргнуть) и генерируют мощность, в 85 раз превышающую то, на что способны равные по размеру мышцы человека. Материал сделан из углеродных нанотрубок, наполненных парафином; он может скручиваться или растягиваться в ответ на изменения температуры или приложенное внешнее напряжение (при повышении температуры парафин плавится, заставляя нанотрубки сокращаться). По словам учёных, такие мышцы могут пригодиться при создании «умных» материалов, сенсоров, роботов и даже хирургических имплантатов.

Получить «умные» искусственные мышцы, одновременно эффективные, быстрые, сильные (мощные) и способные к скручиванию и сгибанию, — непростая задача, но работы в этом направлении ведутся очень активно. В поисках гибкого и вместе с тем прочного материала учёные обратились к… нет, не к графену, а к углеродным нанотрубкам (впрочем, тот же графен, но в роллах) — длинным, полым цилиндрам с необычайно прочными связями, удерживающими их вместе (с образованием нановолокон).

Демонстрировавшиеся до сих пор мышцы на углеродных нанотрубках использовали электрохимию: «волокна» помещались в раствор электролита, который должен был проводить электрический сигнал, заставляющий нанотрубки сжиматься. Но такая реализация не оставляла надежд на практическое применение — помимо самих углеродных волокон-мышц, необходимы электролит, электроды и заключающий в себе всё это добро контейнер. Зачем нам мышцы, изолированные внутри какого-то ящика? Да и суммарный объём такой системы в несколько раз превосходит объём самой мышцы, что сложно назвать эффективным решением. Дальше — больше. Как ни старайся, но электролит всё равно будет со временем деградировать, и придётся создавать систему замены этого раствора на новый. В общем, интересная идея, но только на бумаге.

Авторы рассматриваемой работы поступили разумней. Они наполнили углеродные нанотрубки веществом, способным контролировать сжатие. Нановолокна были пропитаны парафиновой ваксой, а затем скручены на манер каната. Получается так, что расширение интегрированной в волокна ваксы приводит к укорачиванию волокон. А объем ваксы меняется при изменении температуры или в результате внешнего напряжения. В результате, искусственные мышцы способны поднимать вес, который в 100 тыс. раз превосходит их собственный, оставляя мышцы человека нервно курить на обочине (да, живая ткать в 85 раз слабее).

Отчёт об исследовании представлен в журнале Science.

Подготовлено по материалам ScienceNOW.