Искусственные мускулы из обычной лески

Сегодня область робототехники, медицины и трансплантологии бурно развивается. Этому способствует множество изобретенных высококачественных материалов. Так, искусственный скелет человечество изготавливает уже достаточно давно, чего не скажешь об синтетической мускулатуре, создание которой до недавнего времени было не под силу даже самым известным ученым. Совсем недавно ученые из США сумели подобрать материал, который позволяет создавать искусственные мышцы любого типа. Самое интересное в этом материале то, что данный тип полимера уже очень давно известен людям — из него давным-давно делают самую обыкновенную рыболовную леску.

Основной принцип работы данного типа мышц, если говорить коротко, такой: волокна синтетической мускулатуры увеличивают или уменьшают свою длину после того, как на них произойдет поступление соответствующих «нервных» импульсов (разного рода энергии). Для изготовления искусственных мышц необходимо просто подобрать такой материал, который способен (при подаче определенного сигнала) изменять свою длину. Также необходимо учесть, что эффективность работы такого рода мышц должна быть хотя бы такой же, как у естественных натуральных человеческих мышц, или превышать ее в несколько раз.

Характеристики и область применения

Уже несколько лет ученые всего мира активно ведут работы над созданием искусственных мышц, но до недавнего времени какого-либо особенного прорыва в этом направлении не было. Причина этому проста: раньше инженеры и ученые пытались изготавливать волокна синтетической мускулатуры из углеродных нанотрубок. Стоит отметить, что первые эксперименты с материалами данного типа были вполне мнообещающими, но позже выяснилось, что:

1. Процесс изготовления «наномышц» очень сложен, сами мышцы получаются при этом невероятно дорогими, недоступными для простых людей;
2. Такие мышцы способны сокращаться лишь на 10 % от своей общей длины. Такой показатель недопустим, поскольку является намного меньшим, чем у естественных человеческих мускулов.

Совсем недавно группа известных специалистов по биомеханике и материаловедению, которой руководит доктор Рэй Бофман из Техасского университета в Далласе, предложила кардинально другой вариант решения задачи по созданию синтетической мускулатуры. В ходе экспериментов с разного рода материалами, специалисты взяли самую обычную полимерную нить, которая применяется при изготовлении синтетических ниток и рыболовной лески, скрутили ее в спираль, которую впоследствии подвергли воздействию высоких температур. Результат такого эксперемента показал любопытную вещь: в процессе температурного воздействия (нагрева) данная спираль разворачивается, в процессе охлаждения — опять скручивается. Такое поведение данной полимерной конструкции очень схоже с поведением настоящего мышечного волокна. Исключением является лишь то, что источником электронного импульса в человеческих мышцах является нерв, а в синтетических — нагрев и охлаждение.

Измеренные исследователями характеристики полученной синтетической мышцы показали, что в сравнении с человеческими мускулами, которые сокращаются на 20 % от своей длины, изготовленные синтетические мышцы вполне могут уменьшить свои габариты на 50 %! Если же провести объединение 100 данных синтетических волокон, такая искусственная мега-мышца может легко поднимать грузы массой больше 700 килограмм, при этом ее размер будет сравнительно небольшим. Данные волокна относительно веса способны развить мощность до 7,1 лошадиных сил на 1 килограмм. Такое значение соответствует мощности известного многим реактивного двигателя, который активно используется в самолетах! Само собой, такие мышцы «понятия не имеют» что такое усталость. Срок их службы и хранения практически бесконечен.

Для чего же вообще необходима искусственная мускулатура? Главное, для чего изначально планировалось использовать такие мышцы — индустрия робототехники. Стоит отметить, что структуры данных мышц — это прямые аналоги человеческих мышц, при помощи которых роботы смогут, например, не только передвигать разного рода тяжести, но и менять выражение лица! Также такие синтетические мышцы помогут роботам выполнять невероятно тонкие хирургические манипуляции. Сегодня все чаще говорят о том, что искусственные мышцы пригодятся в процессе изготовления разного рода протезов нового поколения, которые будут способны полностью заменить утраченные пациентами конечности.

Первые эксперименты, вопросы и перспективы

Стоит отметить, что самое первое лабораторное испытание данного изобретения было проведено достаточно оригинально: специалисты прикрепили искусственные мышцы к окну и принялись наблюдать за тем, как они открывали и закрывали его в зависимости от того, какой была окружающая температура. Вдохновленные этим эксперементом, изобретатели создали из данных волокон ткань. Так, пористость созданной ткани способна изменяться в зависимости от окружающей температуры. Этим ученые продемонстрировали возможность изготовления из такого материала так называемой «умной» одежды нового поколения. Такая одежда способна автоматически экономить тепло тела ее хозяина в холодную погоду и охлаждать тело в жаркую. Все это наглядно показывает, что область применения данного типа искусственных мышц достаточно широка.

Впрочем, ученые и разработчики чудо-мышц отмечают, что их изобретение имеет одну слабую сторону. Эта «слабость» связана с тем, что фактором, который способен запускать процесс сокращения синтетической мышцы, является изменение температуры. Такое изменение можно обеспечить несколькими способами, например, при помощи электричества или посредством химических реакций. На данный момент изобретатели не могут ответили на простой, но очень важный для будущих «серийных» изготовителей искусственных мышц вопрос, — какое конкретно минимальное количество тепла (можно сказать химической или электрической энергии) необходимо потратить для того, чтобы мышцы смогли совершить механическую работу? Пока этот вопрос ученые предпочли оставить без ответа. Они намекнули только на то, что созданные синтетические волокна, впрочем, как и все искусственные мышцы, не могут похвастаться особой экономичностью в плане потребления энергии. Из этого можно сделать предположение, что затраты энергии, необходимые для их корректной работы на данном этапе достаточно велики. Авторы проекта уверенны, что в недалеком будущем они сумеют значительно снизить затраты энергии, так необходимой для синтетической мышцы — для этого они планируют несколько модифицировать структуру самих полимерных нитей, изменив очередность молекул и атомов.

Как бы там ни было, искусственными мышцами и их потоковым производством уже заинтересовались несколько крупных американских компаний. Как утверждают разработчики, приведенные ими примеры использования данного изобретения — это далеко не все области. Скорее всего, найдется еще много сфер, где применение синтетических волокон окажется необходимостью.

Читайте также