В МТИ создали искусственные мышечные волокна из нейлона
Искусственные мышцы – материалы, способные сжиматься и сокращаться подобно мышечным волокнам. Их можно использовать во многих областях: от компонентов робототехники до автомобилестроения и авиационной промышленности. Исследователи из Ключевой компонент, из которого ученые МТИ сделали волокна искусственных мышц – недорогие и широко распространенные волокна нейлона. Новый подход к использованию этого материала заключается в формировании и нагревании волокон определенным образом.
Ранее исследователи разработали принцип использования закрученных спиралей нейлоновых нитей, чтобы имитировать поступательную работу мышц. Они показали, что в конкретном размере и весе такие устройства могли расширяться и сжиматься, хранить и высвобождать больше энергии, чем естественные мышцы. Но повторить изгибающие движения пальцев и конечностей человека – более сложная задача. Как утверждают исследователи МТИ, до них еще никому не удавалось решить эту проблему просто и дешево.
Существуют материалы, которые можно использовать для воспроизводства изгибающихся движений в биомедицинских устройствах или тактильных дисплеях. Но чаще всего эти материалы «экзотические» и дорогие, их сложно производить. Например, нити углеродных нанотрубок – долговечный материал, способный выдержать более миллиона циклов сжатия, но все еще слишком дорогой для широкого применения. Сплавы с эффектом памяти формы обеспечивают прочное натяжение, но выдерживают всего 1000 циклов.
В новой системе используется дешевый материал и простой процесс производства. Нейлон выдерживает достаточное количество циклов благодаря способу формирования нейлоновых волокон. Некоторые материалы из полимерных волокон, в том числе нейлон, обладают необычным свойством: при нагревании они уменьшаются в длину, но расширяются в диаметре. Некоторые ученые использовали это свойство чтобы создать устройства линейного привода. Но чтобы превратить линейные поступательные движения в изгибы, необходимы устройства вроде механического блока или намоточного барабана. Это прибавляет сложности и увеличивает расходы. Команда МТИ собиралась использовать непосредственно силу движения без дополнительных механических деталей.
У линейных приводов, изготовленных из полимерных материалов, есть один существенный недостаток: чтобы вызвать сокращение, материал нужно охладить. Скорость охлаждения может быть ограничивающим фактором. Однако ученые поняли, что этот недостаток может стать преимуществом. Выборочный нагрев одной стороны волокна заставляет его сокращаться быстрее, чем тепло доходит до противоположной стороны. Таким образом нить может отклоняться в сторону. Как отмечает кандидат наук Сейед Мирвакили, ведущий автор исследования, нужно было добиться сочетания двух свойств: высокого напряжения (натяжения сокращения) и низкой теплопроводности.
Чтобы заставить эту систему работать эффективно в качестве искусственных мышц, сечения волокна нужно тщательно обработать. Чтобы изменить поперечное сечение с круглого до прямоугольного или квадратного, команда как бы «расплющивала» их. Затем ученые нагревали одну сторону, что заставляло волокно сгибаться. Изменение направления нагревания привело к тому, что волокно исполняло более сложные движения. В лабораторных тестах команда использовала этот метод нагревания, чтобы заставить волокна выполнять круговые движения и «восьмерки». По словам ученых, волокна могут двигаться и по более сложным траекториям.
В качестве источника тепла подойдет электрический резистивный нагреватель, химические реакции или лазерный луч, который испускается на нити. В некоторых экспериментах исследователи наносили на волокна специальную электропроводную краску и удерживали на одном месте с помощью связующих смол. Под напряжением нагревалась только часть волокна, покрытая краской. Нагреваясь с одной стороны, волокно могло отклоняться в сторону. Если нагреть его с противоположной, нить возвращается в исходное положение.
Исследования показали, что материал выдерживает не менее 100 тысяч циклов изгибов и может сокращаться и расслабляться до 17 раз в секунду. По мнению Яна Хантера, одного из авторов исследования, такие волокна подойдут для производства одежды, которая будет сокращаться, чтобы приспособиться к контурам тела человека. Тогда производители могли бы сократить размерную линейку, повышая комфорт и упрощая подгонку. Из гнущихся волокон можно делать обувь, которая будет сидеть точно по ноге, а ее жесткость и форма будет с каждым шагом регулироваться.
Систему можно использовать для производства самонастраивающихся катетеров и других биомедицинских устройств. В долгосрочной перспективе можно создать механические системы, вроде внешних панелей для автомобилей. Панели из волокон отрегулируют аэродинамическую форму, чтобы адаптироваться к изменениям в скорости и ветре. Или их можно применить в качестве автоматических “систем слежения” для солнечных батарей. Они бы использовали избыток тепла, чтобы контролировать направленность батарей в сторону Солнца.
Научная работа опубликована в журнале Advanced Materials 23 ноября 2016 года
DOI: 10.1002/adma.201604734
Ключевой компонент, из которого ученые МТИ сделали волокна искусственных мышц – недорогие и широко распространенные волокна нейлона. Новый подход к использованию этого материала заключается в формировании и нагревании волокон определенным образом.
Ранее исследователи разработали принцип использования закрученных спиралей нейлоновых нитей, чтобы имитировать поступательную работу мышц. Они показали, что в конкретном размере и весе такие устройства могли расширяться и сжиматься, хранить и высвобождать больше энергии, чем естественные мышцы. Но повторить изгибающие движения пальцев и конечностей человека – более сложная задача. Как утверждают исследователи МТИ, до них еще никому не удавалось решить эту проблему просто и дешево.
Существуют материалы, которые можно использовать для воспроизводства изгибающихся движений в биомедицинских устройствах или тактильных дисплеях. Но чаще всего эти материалы «экзотические» и дорогие, их сложно производить. Например, нити углеродных нанотрубок – долговечный материал, способный выдержать более миллиона циклов сжатия, но все еще слишком дорогой для широкого применения. Сплавы с эффектом памяти формы обеспечивают прочное натяжение, но выдерживают всего 1000 циклов.
В новой системе используется дешевый материал и простой процесс производства. Нейлон выдерживает достаточное количество циклов благодаря способу формирования нейлоновых волокон. Некоторые материалы из полимерных волокон, в том числе нейлон, обладают необычным свойством: при нагревании они уменьшаются в длину, но расширяются в диаметре. Некоторые ученые использовали это свойство чтобы создать устройства линейного привода. Но чтобы превратить линейные поступательные движения в изгибы, необходимы устройства вроде механического блока или намоточного барабана. Это прибавляет сложности и увеличивает расходы. Команда МТИ собиралась использовать непосредственно силу движения без дополнительных механических деталей.
У линейных приводов, изготовленных из полимерных материалов, есть один существенный недостаток: чтобы вызвать сокращение, материал нужно охладить. Скорость охлаждения может быть ограничивающим фактором. Однако ученые поняли, что этот недостаток может стать преимуществом. Выборочный нагрев одной стороны волокна заставляет его сокращаться быстрее, чем тепло доходит до противоположной стороны. Таким образом нить может отклоняться в сторону. Как отмечает кандидат наук Сейед Мирвакили, ведущий автор исследования, нужно было добиться сочетания двух свойств: высокого напряжения (натяжения сокращения) и низкой теплопроводности.
Чтобы заставить эту систему работать эффективно в качестве искусственных мышц, сечения волокна нужно тщательно обработать. Чтобы изменить поперечное сечение с круглого до прямоугольного или квадратного, команда как бы «расплющивала» их. Затем ученые нагревали одну сторону, что заставляло волокно сгибаться. Изменение направления нагревания привело к тому, что волокно исполняло более сложные движения. В лабораторных тестах команда использовала этот метод нагревания, чтобы заставить волокна выполнять круговые движения и «восьмерки». По словам ученых, волокна могут двигаться и по более сложным траекториям.
В качестве источника тепла подойдет электрический резистивный нагреватель, химические реакции или лазерный луч, который испускается на нити. В некоторых экспериментах исследователи наносили на волокна специальную электропроводную краску и удерживали на одном месте с помощью связующих смол. Под напряжением нагревалась только часть волокна, покрытая краской. Нагреваясь с одной стороны, волокно могло отклоняться в сторону. Если нагреть его с противоположной, нить возвращается в исходное положение.
Исследования показали, что материал выдерживает не менее 100 тысяч циклов изгибов и может сокращаться и расслабляться до 17 раз в секунду. По мнению Яна Хантера, одного из авторов исследования, такие волокна подойдут для производства одежды, которая будет сокращаться, чтобы приспособиться к контурам тела человека. Тогда производители могли бы сократить размерную линейку, повышая комфорт и упрощая подгонку. Из гнущихся волокон можно делать обувь, которая будет сидеть точно по ноге, а ее жесткость и форма будет с каждым шагом регулироваться.
Систему можно использовать для производства самонастраивающихся катетеров и других биомедицинских устройств. В долгосрочной перспективе можно создать механические системы, вроде внешних панелей для автомобилей. Панели из волокон отрегулируют аэродинамическую форму, чтобы адаптироваться к изменениям в скорости и ветре. Или их можно применить в качестве автоматических “систем слежения” для солнечных батарей. Они бы использовали избыток тепла, чтобы контролировать направленность батарей в сторону Солнца.
Научная работа опубликована в журнале Advanced Materials 23 ноября 2016 года
DOI: 10.1002/adma.201604734
