Учени от Националния университет на Сингапур създадоха нов вид изкуствен мускул, чието представяне впечатли колегите. Факт е, че този нов тип мускул може да се разтегне до пет пъти първоначалната си дължина, а теглото, което може да вдигне, е 80 пъти собственото му тегло.
Целта на тази разработка е да предостави на роботите невероятни мощностни характеристики и в същото време да осигури наличието на пластичност като човек.
Според д-р Адриан Кох, който в моментае ръководител на програмата, полученият материал има структура, подобна на мускулната тъкан на живите организми.
Основният интерес е, че въпреки тяхната сила, пластичност и гъвкавост, тези изкуствени мускули реагират на електрически контролни импулси в рамките на част от секундата и това несъмнено е колосален резултат.
Например, в момента никаква механика или хидравлика не може да осигури такъв ефект. Както казва ръководителят на групата, ако оборудвате роботите с тези бързодействащи изкуствени мускули, тогава ще бъде възможно да се отървете от механичните движения на роботите и да се доближите до „пластмасовите“ индикатори на хора или различни животни. При всичко това издръжливостта, силата и точността на движенията трябва многократно да надвишават тези на хората.
Този материал е сложен композит, който от своя страна се състои от различни полимери. Използването на еластични полимери в този състав на материала със способността да се разтягат 10 пъти и полимери, които могат да издържат тегло 500 пъти по-голямо от тяхното собствено, ни позволи да постигнем такива невероятни резултати. Както съобщават учените, работата по разработката ще продължи повече от една година, но в продължение на няколко години се планира да се създадат няколко вида крайници за роботи, които ще бъдат оборудвани с този тип изкуствени мускули. Интересно е, че крайникът ще има тегло и размер наполовина на човешкия аналог, но човекът няма да има голям шанс да спечели.
Въпреки факта, че тази разработка е най-интересна за група учени в тази конкретна област, успоредно с това те планират да използват получения материал за други цели. Например, новият материал е способен да преобразува механичната енергия в електрическа и обратно. И затова учените едновременно разработват дизайна на електрически генератор, базиран на меки полимерни материали. Интересен тук е фактът, че по план теглото му ще бъде около 10 килограма, като ще може да генерира толкова електричество, колкото традиционен генератор, използван във вятърни турбини и тежащ 1 тон.
Изкуствени мускулидобри, защото не съдържат вътрешни подвижни елементи. Това е друга, доста радикална алтернатива на електродвигателите и пневматиката с хидравлика. Съществуващите проби днес са или чувствителни на напрежение или температура полимери или сплави с памет на формата. Първите изискват доста високо напрежение, докато вторите имат ограничен обхват на движение и също са много скъпи. За създаването на меки роботи се използва и сгъстен въздух, но това изисква наличието на помпи и усложнява дизайна. За да направим изкуствени мускули, се обърнахме към рецептата на учени от Колумбийския университет, които успяха да съчетаят висока мощност, лекота, еластичност и невероятна простота в един дизайн. Мускулите са обикновен мек силикон, в който предварително се инжектират балончета алкохол. При нагряване с нихромна спирала алкохолът вътре в тях започва да кипи и силиконът силно набъбва. Въпреки това, ако поставите всичко това в твърда плитка с перпендикулярно тъкане на нишки, тогава подуването ще се превърне в нормално свиване - почти по същия начин, по който работят въздушните двигатели McKibben.
Тъй като силиконът не провежда топлина добре, важно е да не прилагате твърде много мощност към намотката, в противен случай полимерът ще започне да пуши. Това, разбира се, изглежда впечатляващо и почти не пречи на работата, но в крайна сметка може да доведе до пожар. Ниската мощност също не е добра, тъй като тогава времето за намаляване може да се забави. Във всеки случай, ограничаващ термичен сензор и PWM контролер няма да бъдат излишни в дизайна.
Методи
Силиконовите мускули са изненадващо прости по дизайн и когато работите с тях, наистина срещате само два проблема: избор на мощност и създаване на доста удобни форми за изливане.
Удобно е да се правят форми за пълнене от прозрачни пластмасови листове. Само имайте предвид, че механизмът за закрепване на спиралата вътре в полимера трябва да бъде обмислен предварително: след изливането ще бъде твърде късно.
И материали
Силиконът за изграждане на меки мускули може да бъде закупен в магазините за занаяти. Оплетката от необходимото тъкане обикновено се използва за организиране и окабеляване на кабели; Най-големите трудности възникват при 96-процентовия етанол, който в Русия се купува по-трудно от резервоар. Въпреки това, той може да бъде заменен с изопропанол.
Popular Mechanics благодари на Skeleton Shop за съдействието при заснемането.Големите мускули са резултат от години упорити тренировки и галони пот. Но има хора, които вярват, че могат да постигнат същия външен вид като професионалните спортисти, но много по-бързо и лесно. Това наистина е възможно, въпросът е само на каква цена?
Силиконови мускули
Първият начин да получите огромни мускули без посещение фитнес зала- отидете под ножа на хирурга. Съвременната хирургия е стигнала дотам, че е възможно да се увеличат не само гърдите и устните, но и всяка друга част от тялото. И сега не само жените, но и мъжете активно поставят силиконови импланти в себе си, за да изглеждат по-привлекателни.
Има два начина за поставяне на имплант - над мускула и под мускула. Първият вариант е по-прост, по-евтин и по-малко травматичен, но проблемът е, че такъв мускул ще изглежда неестествено и ще бъде мек на допир. Във втория случай съществуващите мускули буквално се отварят и имплантът се избутва под тях, след което мускулната тъкан се зашива обратно. Такава операция е много сложна и опасна и възстановяването след нея ще отнеме много месеци, но резултатът ще бъде по-добър - наличието на имплант няма да се забележи и мускулът ще запази присъщата си твърдост.
Поставянето на имплант е огромен риск, защото тялото може просто да не го приеме или да реагира със сериозна алергична реакция. Последствията от повреда на импланта могат да бъдат още по-лоши - можете дори да загубите частта от тялото, където е имплантиран изкуственият мускул.
Джъстин Джедлика, Силикон Кен
Може би най-известният пример за мъжка пластична хирургия еАмериканецът Джъстин Джедлика, известен още като Силикон Кен. Обсебен от идеята да бъде като приятел на куклата Барби, той страда от около 90 пластична хирургияна обща стойност над 100 хиляди долара. Лицето на момчето, разбира се, претърпя най-много промени, но хирурзите също работиха върху изваяното му тяло, поставяйки силиконови импланти в гърдите, ръцете, раменете и корема на Джъстин.
Лицеви опори
Да, да, мъжките лицеви опори също съществуват. Носи се под тениска, закопчава се на гърба и имитира изваяни гърди и корем. Един прост заместител на мускулите е изобретен в Япония и бързо набира популярност в Азия.
Синтол
Ако мъжете рядко се обръщат към пластичната хирургия, тогава дори по-опасните химически методи за изкуствено увеличаване на мускулите се използват, за съжаление, много по-често. Най-известният наркотик е синтолът, изобретен през 90-те години на миналия век и бързо нашумял. Синтолът няма анаболни свойства, увеличава мускулния обем чрез абсорбиране на масла в мускулните влакна. Тоест, всъщност мускулите не стават по-големи, те просто се подуват.
Синтолът се екскретира от тялото много дълго време - до 5 години. Освен това той има огромно количество странични ефекти, много от които са изключително опасни и застрашават спортистите със сериозни последствия, включително смърт. По този начин навлизането на масло в кръвта може да причини мастна емболия, което от своя страна заплашва с инфаркт или инсулт. Други възможни проблеми включват различни инфекции, увреждане на нервите, кисти и язви.
Интернет е пълен с многобройни примери за „жертви“ на синтол, а легендите на бодибилдинга активно се противопоставят на подобни методи за растеж на мускулите. „Отношението ми към синтола е същото като към всички импланти. „Това е опит за подобряване на физиката чрез козметични методи, като се избягва тежката работа, която прави бодибилдинга истински спорт“, каза шесткратният мистър Олимпия Дориан Йейтс.
Изобретението се отнася до областта на бионичното протезиране, а именно до изкуствени мускули, които са композитни материали, изложени на слабо електрически импулси. Изкуственият мускул съдържа найлоново и/или полиетиленово влакно и представлява среда от поне един полиорганосилоксан, поне една епоксидна смола и поне един катализатор за полимеризация на епоксидна смола. Мускулът е зашит с една или повече нишки от поне едно интерметално съединение с памет за формата и найлоново и/или полиетиленово влакно. Техническият резултат се състои в осигуряване на кратко време за реакция и възможност за бързо свиване под въздействието на електрически импулси, по-специално с плътност на тока до 20 mA / cm 2, в елиминиране на възможността за неконтролирано свиване под въздействието на околната среда температура и придаване на свойства за самовъзстановяване на изкуствения мускул. 10 заплата файлове, 2 мас.
Изкуствен мускул
Изобретението се отнася до областта на бионичното протезиране, а именно до изкуствени мускули, които са композитни материали, способни да се свиват под въздействието на слаби електрически импулси. Изкуственият мускул може да се използва в медицината като компонентбионични крайници или като самостоятелен имплант, както и в роботиката при производството на високопрецизни манипулатори.
Широко известен е проблемът за създаване на материали с химичен афинитет и механични свойства, близки до живите мускулни влакна, чрез които се извършва движение в тялото на човек или животно. В момента са разработени няколко вида изкуствени мускули, но в начина на използване на всеки от тях възникват редица проблеми по отношение на цената на материалите и ограниченото използване.
Известен е хидравличен изкуствен мускул, включващ първи съединител със затворен край, еластична гумена тръба, изтъкани нишки от влакна с висока якост, увити около споменатата тръба, втори съединител със затворен край, през който водата влиза в тръбата, два пръстеновидни оформени скоби, разположени по краищата на мускула, две пръстеновидни скоби, разположени в средната част на мускула, и два закрепващи елемента във формата на конус, обърнати навътре в мускула (CN 103395072 A, A61F 2/50, 11/ 20/2013 г.). Описаният мускул има много ограничена приложимост: използването му е възможно само в роботиката, базирана на хидравлични системи.
Известна е изкуствена мускулна тъкан, която представлява въглеродни нанотръби, импрегнирани с восък и усукани в спирала (списание Science, том 338, страници 928-932, 16 ноември 2012 г.).
Описаната изкуствена мускулна тъкан е в състояние да вдигне тежест, която надвишава собствената си сто хиляди пъти, но има много висока цена и в същото време се характеризира с повишена чувствителност към факторите на околната среда: температурни промени или микротокове могат да доведат до нейното неволно свиване.
Най-близкият аналог на претендирания изкуствен мускул е найлоново или полиетиленово влакно, усукано в спирала (http://nauka21vek.ru/archives/56843, 26.02.2014 г.).
Предимствата на това влакно са способността му бързо да се свива при нагряване, както и ниската му цена, но в същото време има редица недостатъци. Наред с податливостта си към топлина, тя не е в състояние да се свие напълно под въздействието на слаби електрически импулси, като например нервните импулси. В тази връзка, за създаването на протезни крайници става необходимо да се използват усилватели и преобразуватели на електрически сигнал в топлинен сигнал, което от своя страна изисква използването на източници на енергия (батерии, акумулатори). Повишената чувствителност на влакното към температурата на околната среда може да доведе до неволно свиване на мускулите и съответно движение на изкуствения крайник. В тази връзка е необходимо да се използват топлоизолатори. Горните условия усложняват дизайна и цената на протезата, а също така създават неудобства при употреба.
Целта на предложеното изобретение е да се създаде безвреден и евтин изкуствен мускул, способен да приема нервни импулси или импулси, подобни на тях.
Техническият резултат от предложеното изобретение е да осигури кратко време за реакция и възможност за бързо свиване под въздействието на електрически импулси, по-специално с плътност на тока до 20 mA / cm 2, елиминирайки възможността за неконтролирано свиване при влиянието на температурата на околната среда и придаване на свойства за самолечение на изкуствения мускул.
Техническият резултат се постига благодарение на факта, че се предлага изкуствен мускул, съдържащ найлоново и/или полиетиленово влакно, и представлява среда от поне един полиорганосилоксан, поне една епоксидна смола и поне един катализатор на полимеризация на епоксидна смола, и мускулът е зашит с една или повече нишки от поне едно интерметално съединение с памет за формата и найлоново и/или полиетиленово влакно.
Интерметалното съединение с памет за формата може да бъде избрано от групата: Ti-Ni, Zr-Ni, Fe-Mn-Si и сплав на Heusler. Ефектът на паметта на формата на изброените интерметални съединения е най-силно изразен. Освен това Fe-Mn-Si е най-евтиният, Ti-Ni е най-разпространеният и изследван, Zr-Ni има висока реакция на електрически импулси.
За допълнително укрепване, придавайки на мускула по-плавни и по-линейни движения, той може допълнително да бъде зашит с еластомерни конци.
За увеличаване на амплитудата на свиване на изкуствения мускул под въздействието на електрически импулс е желателно найлоновото и/или полиетиленовото влакно да е усукано в спирала.
За да се увеличи реакцията на мускула към токов импулс и да се придаде прецизност на движението, е желателно една или повече нишки от поне едно интерметално съединение с памет за формата да са усукани в спирала.
За по-нататъшно увеличаване на скоростта на свиване на изкуствения мускул, по-плавно начало и край на свиването му под въздействието на електрически импулс и за намаляване на вътрешното триене е желателно една или повече нишки от поне едно интерметално съединение с памет за формата да бъдат усукани с найлоново и/или полиетиленово влакно в спирала едно около друго.
За подобряване на адхезията, една или повече нишки от поне едно интерметално и найлоново и/или полиетиленово влакно с памет за формата могат да бъдат свързани към среда от поне един органополисилоксан чрез свързване или нагряване при висока температура, последвано от охлаждане.
Като катализатор за полимеризация на епоксидна смола можете да използвате катализатора Grubbs, който е най-достъпният и широко разпространен.
За допълнително укрепване, увеличаване на скоростта на свиване под въздействието на ток и подобряване на чувствителността към слаби токови импулси, изкуственият мускул може да бъде допълнително зашит с въглеродни нанотръбни влакна.
В случай на контакт между няколко изкуствени мускула, за намаляване на триенето между тях е желателно върху повърхността на изкуствения мускул да се нанесе слой полиметилсилоксан.
За да се намали цената на изкуствения мускул, като същевременно се запази висока якост и скорост на реагиране на електрически импулси, той може да има следното съдържание на компоненти, тегл. %:
Полиорганосиликаните имат редица предимства в сравнение с други симуланти на живи тъкани. Продуктите, произведени от тях, са най-безвредни и издръжливи, имат много ниска температура на встъкляване (около -130°C) и са в състояние да копират и запазят зададените външен вид, а също и по консистенция те са близки до биологичните тъкани, като естествените мускули.
Съществуват редица материали с памет на формата, при които е възможен и самолечебен ефект. Един от най-често срещаните примери за такъв материал е интерметалното съединение Ni-Ti (нитинол), в което има един атом никел за всеки атом титан. Ако продукт, направен от него, се деформира, тогава при нагряване той отново ще приеме предишната си форма. Заедно с нагряването, поради наличието на известно съпротивление, продуктът може да бъде върнат във формата си и чрез преминаване на ток през него. Ако продуктът е тънка нишка, това може да стане дори с малък ток, например до 20 mA/cm 2, който тече по нервните влакна.
Запомнянето на позицията му при определени условия, както и възможността за самовъзстановяване, се дължи на ефекта на дисклинация, при който миграцията на зърната се извършва на границите на дефектните зони, т.е. металните дефекти придобиват полета на напрежение с толкова интензивни заряди, че ръбовете на пукнатините се приближават и увреденото интерметално съединение се регенерира.
Установено е, че някои други интерметални съединения на основата на никел, в които вторият компонент в чистата си форма има хексагонална плътно опакована или обемно центрирана кубична решетка, може да имат подобно свойство. Такива интерметални съединения включват Ni-Zr и Ni-V. Използването на последния за медицински цели е изключено поради повишената токсичност на ванадий и неговите съединения, но използването му е възможно в роботиката при създаването на манипулатори.
Изследване на интерметалното съединение Ni-Zr, в което има един циркониев атом за всеки атом на никел, показа, че то е в състояние да реагира малко по-бързо на електрически импулси от нитинола (Ti-Ni), което най-вероятно се дължи на термичната проводимост на втория компонент: топлопроводимостта на циркония при 300 K е 22,7 W/(m K), а на титана е 21,9 W/(m K).
Проявата на памет на формата под въздействието на магнитно поле е известна в интерметално съединение, наречено сплав на Heusler и имащо следната формула: X 2 YZ, където X, Y, Z са различни метали. Най-често срещаният тип от тази сплав е Ni 2 MnGa. Паметта на формата се причинява от мартензитен фазов преход и може да се осигури и от електрически импулси, които променят магнитното поле на сплавта на Heusler.
В допълнение към горното е известно и интерметално съединение с памет на формата - Fe-Mn-Si, което се характеризира с ниска цена.
Известни са и други материали с памет на формата, например интерметални съединения: Au-Cd, Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni, Fe-Mn-Si, Fe-Ni, Cu-Al, Cu-Mn, Co - Ni и Ni-Al. Въпреки това, поради слабата си памет на формата и самолечебните свойства, те са по-трудни за използване на практика.
По този начин, за да се контролира бионичен мускул с електрически импулси, той трябва да бъде зашит с нишки от поне едно интерметално съединение с памет на формата и дебелината на нишките трябва да бъде избрана въз основа на големината на входящите сигнали. Очевидно, за да се възприемат малки нервни импулси, дебелината на нишките трябва да е малка - от порядъка на 0,02-0,5 мм. За да се възприемат силни импулси, дебелината може да бъде няколко милиметра или повече.
В същото време използването на такова интерметално съединение без среда, която играе ролята на топлоизолатор и електрически изолатор (в случая полиорганосилоксан) води до чувствителността на интерметалното съединение към температурата на околната среда и по този начин неговото движение става неконтролирано.
Има материали, които могат бързо да се свият при топлина. Те са полиетиленови и найлонови влакна, които се характеризират с ниска цена, висока якост и устойчивост на износване. Въпреки това, използването им като изкуствени мускули без интерметални нишки с памет за формата води до редица проблеми. Поради ниската електрическа проводимост на влакната, слабите токови импулси не са в състояние да активират такива мускули без допълнителни електронни устройства. Но в случай на синхронно действие на импулс както върху интерметални нишки с памет на формата, така и върху найлоново и/или полиетиленово влакно, мускулите чрез определен брой повтарящи се импулси стават способни да се съкращават с висока амплитуда и скорост. Това се дължи на верижна реакция: първият импулс води до леко свиване на влакното, провокирайки лека компресия на интерметалното съединение, с което е в същата система, свързана с полиорганосилоксанова среда, вторият импулс директно компресира интерметалното съединение , което е запомнило предишното си положение при ток с определени характеристики (сила, честота), което води до свиване на влакното с по-голяма амплитуда. С третия и следващите импулси изкуственият мускул започва да работи висока скорости амплитуда на движение. По този начин изкуственият мускул може да работи пълноценно само когато електрически импулс се приложи едновременно към влакното и интерметалните нишки.
Зашиването на изкуствения мускул с еластомерни конци ще го заздрави допълнително и ще позволи по-плавни и плавни движения. плавни движенияпри запазване на други параметри. Като еластомер е допустимо да се използват различни каучуци, за предпочитане с висока еластичност и устойчивост на разкъсване.
Наличието на епоксидна смола в изкуствения мускул заедно с катализатор за неговата полимеризация, например най-достъпния катализатор Grubbs, ще позволи на мускула да се възстанови за кратък период от време в случай на увреждане, например механично, химическо или термично.
При нагряване в разгъната форма найлоновото влакно може да се свие само с 4/100, полиетиленът с 3/1000. Ако обаче тези влакна се усукат в спирала, найлонът придобива способността да се компресира с 34/100, а полиетиленът с 16/100. Този ефект се обяснява с просто физическо явление: в изправена форма нишката се свива поради увеличаване на дебелината, във втория случай се свива както поради увеличаване на дебелината, така и поради скъсяване на спиралата. Горните стойности са близки до способността за намаляване на естественото мускулни влакнаи могат да позволят на своя аналог да вдига тежки товари.
Ако нишките от интерметални съединения с памет на формата са усукани в спирала, реакцията на изкуствения мускул към същия токов импулс става по-добра: по скорост, степен на свиване и праволинейност на движенията, тоест няма вибрации, перпендикулярни на ос на преминаване на спиралите на интерметалните нишки. Скоростта и степента на свиване на интерметалните съединения се обяснява с подобен ефект, както при найлоновите и полиетиленовите влакна. Отсъствието на перпендикулярни вибрации се обяснява със следното. Движението на интерметално съединение под формата на изправена нишка е по-трудно за прогнозиране поради факта, че се определя от паметта на кристалната структура на метала само в напречното сечение на тънка нишка. Ако поради някои фактори температурата в един участък на нишката стане много различна от температурата в други участъци, това може да доведе до неправилно движение на изкуствения мускул. В същото време движението на интерметалното съединение под формата на нишка, усукана в спирала, ще се определя от паметта на кристалната структура на метала по цялото напречно сечение на спиралния завой, което допринася за стабилизирането и правота на движенията.
Ако нишки от интерметални съединения с памет за формата се усукат заедно с влакното в спирала една около друга, това ще доведе до серия положителни ефекти, а именно: до по-плавно начало и край на съкращението на изкуствения мускул под въздействието на електрически импулс, до допълнително увеличаване на скоростта на съкращението и до намаляване на вътрешното триене. Тъй като чувствителните към токов импулс материали реагират на ток с на различни скорости(например интерметално съединение, поради високата си електропроводимост, реагира по-бързо на токов импулс), тяхното преплитане ще доведе до тяхното синхронно движение, което ще намали триенето в материала и съответно ще намали износването му.
В допълнение, заслужава да се отбележи, че шиенето на интерметални нишки и влакна в усукано състояние увеличава тяхната адхезия към основата и по този начин по време на свиване в мускула не възниква вътрешно триене и той работи с максимална ефективност.
За допълнително подобряване на адхезията, което е по-необходимо, ако нишката е в изправено състояние, тя може да се комбинира с органополисилоксанова основа, например чрез залепване или високотемпературно нагряване и последващо охлаждане. При последния полиорганосилоксанът първо омеква и при по-нататъшно охлаждане се слива с резбата.
Залепването се извършва най-добре с лепило на базата на епоксидна смола, която при разкъсване бързо полимеризира под действието на катализатор.
Изкуственият мускул може да бъде допълнително зашит с въглеродни нанотръбни влакна, които също се свиват под въздействието на електрически импулси и в същото време имат високи якостни свойства, реагират на импулси с висока скорост и имат добра чувствителност към слаб ток. По този начин присъствието му може до известна степен да подобри силата и амплитудата на мускулната контракция, но цената на последното в този случай ще се увеличи.
Също така, като се има предвид, макар и по-малко, но все още доста висока, цената на интерметалните съединения, особено Ni-Ti, за да се намали цената на изкуствен мускул с лека загуба на сила и скорост на реакция на електрически импулси, е по-добре да използвайте мускул със следния състав, тегл. %:
Предложеният изкуствен мускул може да се използва като неразделна част от бионични крайници или да служи като независим имплант, който замества живия мускул. В последния случай краищата на изкуствените мускули могат да бъдат свързани с костта с помощта на медицински лепила, като цианоакрилатно лепило, остеопласт и др.
В случаите, когато е необходимо да се замени само отделен участък от жив мускул, неговият изкуствен аналог може също да бъде залепен към увредения жив мускул, но в такава ситуация има голяма вероятност от неговото неприсаждане. Фактори като свиване, тъканно дишане на мускулните влакна, постоянен метаболизъм и други химични процеси могат да причинят отхвърляне на импланта. С оглед на гореизложеното, по време на имплантирането предлаганият изкуствен мускул се препоръчва да бъде залепен към костта, а не към мускулна тъкан. По този начин увреденият жив мускул може да бъде напълно заменен с изкуствен, но възстановяването на отделен участък от него с помощта на изкуствен аналог на този етап е много проблематично.
Изработени са 5 цилиндрични проби с размери 40×7 mm. Първо се смесват полиорганосилоксан, епоксидна смола и катализатор за нейната полимеризация, като смесването се извършва на два етапа. На първия етап, при неговата температура на топене, малко количество от полиорганосилоксановия втвърдител, бензоил пероксид, се добавя към полиорганосилоксана, като леко се разбърква по посока на часовниковата стрелка. След това, след леко сгъстяване, в него се въвежда епоксидна смола. Когато с охлаждането на сместа и действието на втвърдителя, сместа става още по-гъста, като продължава да се разбърква внимателно по посока на часовниковата стрелка, на втория етап в нея се въвежда катализатор за полимеризация на епоксидна смола.
Равномерното разбъркване в една посока на постепенно сгъстяване на полиорганосилоксан и алтернативно въвеждане на епоксидна смола (с по-малко гъста консистенция на средата) и катализатор за нейната полимеризация (с по-гъста консистенция на средата) доведе до факта, че тези компоненти постепенно се втвърдяват в масата на полиорганосилоксан, имащи фазово разделяне помежду си и до голяма степен без да реагират. Освен това, тъй като смолата е въведена с по-малко гъста консистенция на средата, нейното разпределение в изкуствения мускул е по-широко, за разлика от катализатора на полимеризацията.
Почти втвърдената получена смес се зарежда в цилиндрична форма, охлажда се до температура от 65°C, зашива се през нея по оста на цилиндъра с интерметални нишки, еластомерни нишки, влакна от въглеродни нанотръби, найлонови и полиетиленови влакна, след което полученият детайл беше охлажда се до стайна температура, по време на което се втвърдява допълнително и нишките се фиксират здраво в средата и се изваждат от матрицата. Шиенето се извършваше или с права игла, или с игла, направена в спирала. Съставът и характеристиките на пробите са представени в таблица 1.
Пробите бяха зашити с 2 жици от проводящ полимер - политиофен, по такъв начин, че жиците да имаха зона на контакт с всяка нишка от интерметалното съединение, найлонови и/или полиетиленови влакна и влакна от въглеродни нанотръби.
Горната част на пробата с вмъкнатите в нея проводници беше фиксирана в притискащ метален пръстен, а проводниците, изработени от проводим полимер, бяха свързани към източник на захранване.
Найлонова нишка с окачена тежест с тегло 250 g беше прекарана през долната част на образеца.
След това към пробата се прилага ток в следния режим: 1,5 секунди - подаване на ток, 1 секунда - пауза, докато след третия импулс се измерва времето за забавяне на сигнала (времето за реакция), скоростта и степента на свиване на изкуствения мускул. . Първите два импулса не бяха взети под внимание, тъй като интерметалните съединения все още не бяха „запомнили“ движението на свиване.
След извършване на няколко измервания, пробите бяха продухани с топъл въздух (около 50°C) в продължение на 10 секунди и по това време също бяха измерени скоростта и степента на свиване на изкуствения мускул.
Тези параметри също бяха измерени при едновременно подаване на ток и температурно нагряване.
След това пробите са повредени: в средната им част е направен разрез, който уврежда нишките и влакната. След това 1-ви и 3-ти образец се оставят сами, а 2-ри, 4-ти и 5-ти образец се захранват с ток за трети път в същия режим.
Характеристиките на подавания ток, свойствата и реакциите на изкуствения мускул към импулси на ток, температура на околната среда и увреждане са показани в таблица 2.
Според получените данни предлаганият бионичен мускул има незначително време за реакция, той е способен да се свива под въздействието на слаби електрически импулси, а степента на неконтролирано свиване под въздействието на температурата на околната среда е толкова малка, че може да се пренебрегне.
Също така предложеният мускул има свойството да се самовъзстановява за кратък период от време, а при подаване на токов сигнал се увеличава скоростта и степента на възстановяване. Скоростта на реакцията на мускулите към импулсите на тока се влияе от такива параметри като честотата на тока, както и от геометрията на подреждането на интерметалните нишки и влакна; дали са усукани в спирала и дори ако са усукани в спирала един около друг, скоростта на мускулната реакция ще се увеличи.
При наличието на еластомерни нишки всички горепосочени характеристики на мускула остават приблизително същите, но движенията му стават по-плавни.
Влакната от въглеродни нанотръби имат незначителен ефект върху скоростта на реакция, силата и степента на свиване. Следователно наличието му не е задължително и може да се инжектира в мускула, в зависимост от цената.
Като се има предвид фактът, че предлаганият изкуствен мускул е в състояние да постигне посочения технически резултат, можем да преценим, че миологичните проблеми по отношение на имплантирането са решени. В същото време остава въпросът от неврологичната страна, а именно по отношение на подаването на токов сигнал от нерва към мускулите (включително чрез изкуствен нерв).
Тъй като почти всичко химикали, включени в предложения изкуствен мускул, са евтини, а най-ценният компонент, нитинол, не изисква много консумация, поради относително ниската си цена, може да се използва широко в роботиката и машиностроенето, например; в производството на високоточни манипулатори.
1. Изкуствен мускул, съдържащ найлоново и/или полиетиленово влакно, характеризиращ се с това, че е среда от поне един полиорганосилоксан, поне една епоксидна смола и поне един катализатор на полимеризация на епоксидна смола, при което мускулът е зашит с една или повече нишки от поне едно интерметално съединение с памет за формата и найлоново и/или полиетиленово влакно.
2. Изкуствен мускул съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че интерметалното съединение с памет на формата е избрано от групата: Ti-Ni, Zr-Ni, Fe-Mn-Si и сплав на Heusler.
3. Изкуствен мускул съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че е допълнително зашит с еластомерни нишки.
4. Изкуствен мускул съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че найлоновото и/или полиетиленово влакно е усукано в спирала.
5. Изкуствен мускул съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че една или повече нишки от поне едно интерметално съединение с памет за формата са усукани в спирала.
6. Изкуствен мускул съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че една или повече нишки от поне едно интерметално съединение с памет за формата са усукани с найлоново и/или полиетиленово влакно в спирала една около друга.
7. Изкуствен мускул съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че една или повече нишки от поне едно интерметално съединение с памет за формата и найлоново и/или полиетиленово влакно са свързани към среда от поне един полиорганосилоксан чрез залепване или нагряване при висока температура, последвано от охлаждане.
8. Изкуствен мускул съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че катализаторът Grubbs се използва като катализатор за полимеризация на епоксидна смола.
9. Изкуствен мускул съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че е допълнително зашит с въглеродни нанотръбни влакна.
10. Изкуствен мускул съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че върху повърхността му е нанесен слой от полиметилсилоксан.
11. Изкуствен мускул съгласно претенция 3, характеризиращ се с това, че има следното съдържание на компоненти, тегл. %:
Подобни патенти:
Изобретението се отнася до микровълновата електроника. В мощен микровълнов полеви транзистор, базиран на полупроводникова хетероструктура, споменатата полупроводникова хетероструктура е направена под формата на последователност от следните основни слоеве, поне един GaAs буферен слой с дебелина най-малко 200 nm, група от проводящи слоеве, образуващи канала на полевия транзистор, като част от самия канален слой InyGa1-yAs с дебелина 12-18 nm и поне два δn-слоя, легирани с донорен примес, и два дистанционни i-слоя AlxGa1-xAs всеки 1- 3 nm дебелина, разположени по двойки от двете страни на самия канален слой, две групи бариерни слоеве AlxGa1 -xAs, всеки в и-п-и формасистеми от бариерни слоеве, единият от които е разположен от едната страна на групата проводими слоеве - субстрат, а другият - от противоположната страна - порта, с бариерни слоеве във всеки i-p-i системаимат дебелина от (100-200, 4-15, 2-10) nm в субстрата, (2-10, 4-10, 4-15) nm в портата, съответно нивото на допиране с акцепторния примес е (4-20) × 1018 cm- 2, съответно, бариерен слой от i-GaAs с дебелина 5-30 nm, слой от омичен контакт n+-GaAs с дебелина (10-60) nm на източника и дренажни електроди, докато затворният електрод е направен с дължина не повече от 0,5 μm.
Изобретението се отнася до електронната техника. Полупроводникова хетероструктура за високомощен микровълнов транзистор с полеви ефекти съдържа, върху монокристален полуизолиращ субстрат от галиев арсенид, последователност от полупроводникови слоеве, всеки със специфични функционални свойства и технически характеристики- дебелина на слоевете, състав - качествен и количествен, концентрация на легиращи примеси.
Изобретението се отнася до експерименталната медицина и може да се използва за ранна диагностика и лечение на експериментално предизвикани тумори. За ранно ЯМР откриване на тумори, инвазии и метастази, на животното се прилагат комбинации от ЯМР-отрицателни контрастни нанопрепарати с положителни ЯМР контрастни вещества.
Изобретението се отнася до микровълновата електроника. В мощен микровълнов транзистор с полеви ефекти, базиран на полупроводникова хетероструктура, споменатата хетероструктура е направена под формата на последователност от следните основни слоеве: поне един GaAs буферен слой с дебелина най-малко 200 nm, група от проводими слоеве, образуващи канала на полевия транзистор, като част от действителния канален слой InyGa1-yAs с дебелина 12 -20 nm и най-малко два δn-слоя, легирани с донорен примес, и два AlxGa1-xAs спейсер i- слоеве, всеки с дебелина 1-3 nm, две групи бариерни слоеве AlxGa1-xAs, едната от които е разположена от едната страна на проводящата група слоеве - субстрат, другата - от противоположната страна - порта, докато субстратната група на бариера слоеве е направена под формата на система акцептор-донор p-i-δn от бариерни слоеве, групата на затвора от бариерни слоеве е под формата на донор-акцептор δ n-i-p системибариерни слоеве, докато във всяка група бариерни слоеве i-слоят е направен с дебелина от 0,5-10 nm, p-слоят е направен с ниво на допинг, което осигурява височина на потенциалната бариера от 0,4-0,8 от забранената лента AlxGa1 -xAs, δn- слоят е направен с прекомерно ниво на допиране, осигуряващо разлика в повърхностната плътност на донорните и акцепторните примеси, равна на (1-10)×1012 cm-2.
Изследователи от Колумбийския университет в Ню Йорк изобретиха изкуствени мускули, които могат да повдигат товари хиляди пъти по-тежки. собствено тегло. Техниката на производство е толкова проста и материалите са толкова достъпни, че всеки може да започне да конструира мека роботика, особено ако има 3D принтер.
Въпреки зашеметяващите успехи, човечеството все още е далеч от истинските „терминатори“. Алгоритмите непрекъснато се подобряват, машините стават по-умни – до такава степен, че дори Илон Мъск започва да се страхува от изкуствения интелект. Ами ако Теодор Качински беше прав? Но хардуерът се развива с много по-бавни темпове от софтуера. Механичните, пневматичните и хидравличните задвижващи механизми са прекалено сложни и често ненадеждни, материалите с памет на формата са скъпи и неефективни, а електроактивните полимери изискват относително високи разходи за енергия. Какво ще захранва андроидите на бъдещето?
Докторът на науките Аслан Мириев, изследовател в лабораторията Creative Machines в Колумбийския университет, предложи своя собствена версия. Идеята е да се правят изкуствени мускули от силиконови еластомери, напоени с обикновен алкохол за пиене. Етиловият алкохол (въпреки че не непременно етилов алкохол) играе ключова роля, тъй като разширяването и свиването на мускулите възниква в резултат на прехода на микрокапки етанол от течна фаза към газообразна фаза и обратно. Това се постига чрез нагряване и охлаждане: изпаряването на алкохола, уловен в силикона, води до повишаване на налягането и съответно разширяване на еластомерната структура.
Необходимата температура се задава от линеен или спирален електрически нагревателен елемент, проникващ в мускула. При използване на етанол максимален ефектпостигнато чрез продължително нагряване точно над точката на кипене от 78,4°C. Колко по-високо зависи от състава на използвания материал, тъй като силиконът ще устои на разширяване и колкото по-висока е плътността на материала, толкова по-високо е налягането и точката на кипене на алкохола. В своите експерименти Аслан се спря на материал с 20 процента съдържание на етанол като оптимален. Сместа се приготвя чрез просто смесване на силикон и етанол в необходимите пропорции, докато алкохолните микромехурчета се разпределят равномерно. След това сместа може да се използва за отливане на матрици или производство на добавки с помощта на робокастинг, което е екструдиран 3D печат, но без нагряване. Например, екструдер със спринцовка. По време на експерименти изкуствените мускули демонстрираха способността да увеличават обема си с 900% и да издържат на повтарящи се натоварвания. И така, проба от шест грама вдигна и спусна товар с тегло около шест килограма тридесет пъти подред, тоест хиляда пъти повече от собствения си! Максималните цифри са още по-високи: двуграмов мускул може да издържи натоварване от 12 кг, макар и на границата на възможностите си.
Дотук добре, но мускулите трябва да се свиват, а не да се разширяват? Всичко е наред. Работният вектор може да бъде зададен чрез черупки, които ограничават разширението в дадена равнина. Например, бицепсите и трицепсите на илюстрацията по-горе са затворени в мрежа с фиксирана дължина, прикрепена в краищата към рамото и предмишницата. Диаметралното разширяване води до надлъжно свиване, точно както при истинските мускули. Този пример използва мускули от 13 грама, способни да вдигнат до един килограм тегло, когато се нагряват от 30V 1,5A намотка от нихромова тел. Огъването може да бъде постигнато с помощта на „пасивни“ слоеве от гъвкави материали с относително висока якост на опън, приложени към „вътрешната“ страна на деформируемия задвижващ механизъм, както в примера с грайфера на илюстрацията по-долу.
Лабораторните разходи за производство на такива мускули на грам не надхвърлят три цента. За отпечатване на експериментални структури от термопласти бяха използвани настолни FDM 3D принтери Ultimaker, Ultimaker 2+ и Stratasys uPrint, докато изкуствените мускули бяха отпечатани директно на домашен 3D принтер с двоен екструдер, оборудван с глави за спринцовки. Пълният доклад можете да намерите на този линк.
имате ли интересни новини? Споделете вашите разработки с нас и ние ще разкажем на целия свят за тях!
