Съвременните роботи могат много. Но в същото време те са далеч от човешката лекота и изящество на движенията. И причината за това са несъвършените изкуствени мускули. Учени от много страни се опитват да решат този проблем. Статията ще бъде посветена кратък прегледтехните невероятни изобретения.

Полимерни мускули от учени от Сингапур

Стъпка към по-скоро беше предприета от изобретатели от National Днес тежките андроиди се движат поради работата на хидравличните системи. Значителен недостатък на последния е ниската скорост. Изкуствените мускули за роботи, представени от сингапурски учени, позволяват на киборгите не само да вдигат предмети, които са 80 пъти по-тежки от тях собствено тегло, но и да го направи толкова бързо, колкото човек.

Иновативната разработка, която се простира пет пъти на дължина, помага на роботите да „заобиколят“ дори мравките, за които е известно, че могат да носят предмети, 20 пъти по-тежки от собственото им телесно тегло. Полимерните мускули имат следните предимства:

• гъвкавост;
• невероятна сила;
• еластичност;
• способността да променя формата си за няколко секунди;
• способността да се трансформира кинетична енергиякъм електрически.

Учените обаче няма да спрат дотук - те планират да създадат изкуствени мускули, които да позволят на робота да вдигне товар 500 пъти по-тежък от себе си!

Откритие от Харвард - мускули от електроди и еластомер

Изобретатели, които работят в Училището по приложни науки и инженерство към Харвардския университет, представиха чисто нови изкуствени мускули за така наречените „меки“ роботи. Според учените тяхното въображение, състоящо се от мек еластомер и електроди, съдържащи въглеродни нанотръби, не е по-ниско по качество от човешките мускули!

Всички съществуващи днес роботи, както вече беше споменато, се основават на задвижвания, чийто механизъм е хидравличен или пневматичен. Такива системи работят с помощта на сгъстен въздух или реакция химикали. Това прави невъзможно конструирането на робот, който да е мек и бърз като човек. Учените от Харвард са отстранили този недостатък, като са създали чисто нова концепция за изкуствени мускули за роботи.

Новият "мускул" на киборгите е многослойна структура, в която нанотръбни електроди, създадени в лабораторията на Кларк, контролират горния и долния слой на гъвкавите еластомери, които са плод на въображението на учени от Калифорнийския университет. Такива мускули са идеални както за „меки“ андроиди, така и за лапароскопски инструменти в хирургията.

Учените от Харвард не се спряха на това прекрасно изобретение. Една от последните им разработки е биоробот скат. Компонентите му са сърдечни мускулни клетки на плъх, злато и силикон.

Изобретението на групата на Баухман: друг вид изкуствен мускул, базиран на въглеродни нанотръби

През 1999 г. в австралийския град Кирхберг на 13-ата среща на Международното зимно училище за електронните свойства на иновативните материали изнесе презентация ученият Рей Баухман, който работи в компанията Allied Signal и ръководи международна изследователска група. Посланието му беше на тема правене на изкуствени мускули.

Разработчиците под ръководството на Рей Баухман успяха да го представят под формата на листове нанохартия. Тръбите в това изобретение бяха преплетени и смесени по всякакъв възможен начин. Самата нанохартия приличаше на обикновена хартия на външен вид - можеше да се държи в ръце и да се нарязва на ленти и парчета.

Експериментът на групата изглеждаше много прост - учените прикрепиха парчета нанохартия на различни партиилепяща лента и спусна тази структура в проводим солен разтвор. След като нисковолтовата батерия беше включена, двете наноленти се удължиха, особено тази, свързана към отрицателния полюс на електрическата батерия; след това хартията се огъна. Моделът на изкуствен мускул функционираше.

Самият Баухман вярва, че неговото изобретение, след висококачествена модернизация, значително ще трансформира роботиката, тъй като такива въглеродни мускули, когато се огъват/разтягат, създават електрически потенциал - те произвеждат енергия. В допълнение, такива мускули са три пъти по-силни от човешките мускули, могат да функционират при изключително високи и ниски температури, като използват нисък ток и напрежение за своята работа. Напълно възможно е да се използва за протезиране на човешки мускули.

Университет на Тексас: изкуствени мускули, направени от въдица и шевни конци

Едно от най-удивителните е работата научна групаот Тексаския университет, който се намира в Далас. Тя успява да получи модел на изкуствен мускул, чиято сила и мощност напомня на реактивен двигател - 7,1 к.с./кг! Такива мускули са стотици пъти по-силни и по-продуктивни от човешките. Но най-удивителното тук е, че те са конструирани от примитивни материали - високоякостна полимерна въдица и шевни конци.

Храненето на такъв мускул е температурна разлика. Осигурява се от шевна нишка, покрита с тънък слой метал. В бъдеще обаче роботизираните мускули може да се захранват от температурни промени в околната среда. Това свойство, между другото, може да се използва за адаптивно към времето облекло и други подобни устройства.

Ако завъртите полимера в една посока, той ще се свие рязко при нагряване и бързо ще се разтегне при охлаждане, а ако е усукан в другата посока, тогава ще бъде напълно обратното. Такава проста конструкция може например да върти голям ротор със скорост от 10 хиляди оборота/мин. Предимството на такива изкуствени мускули, направени от въдица, е, че те могат да се свиват до 50% от първоначалната си дължина (човешките мускули са само 20%). В допълнение, те се отличават с невероятна издръжливост - тези мускули не се „уморяват“ дори след милион повторения на действието!

От Тексас до Амур

Откритието на учени от Далас вдъхнови много учени от цял ​​свят. Въпреки това, само един роботист успя да повтори успешно техния опит - Александър Николаевич Семочкин, ръководител на лабораторията информационни технологиив БДПУ.

Отначало изобретателят търпеливо изчака нови статии в Science за масовото внедряване на изобретението на неговите американски колеги. Тъй като това не се случи, амурският учен реши със свои съмишленици да повтори прекрасния експеримент и да създаде изкуствени мускули със собствените си ръце от медна тел и въдица. Но, уви, копието се оказа нежизнеспособно.

Изкуствени мускули, изработени от найлонова въдица

Можете да направите забавен експеримент с обикновена въдица от полимерен материал. Ако опънете въдицата по дължина и, като държите единия край, завъртете другия около оста си за дълго време, тогава върху въдицата се образуват плътни пръстени и тя придобива вид на спирална пружина. При нагряване тази пружина се свива, а при охлаждане се удължава. Екип от новосибирски ученици изследва свойствата на такъв „изкуствен мускул“ на международния турнир млади физици IYPT-2015. Интересното е, че за количествено описване на съкращението на такива мускули може да се използва теоремата на Калугарян-Уайт-Фулър, която преди това е намерила приложение в молекулярната биология при описване на суперспирална ДНК

Изкуствените мускулни влакна, способни многократно да се свиват под въздействието на външен стимул и да извършват механична работа, могат в близко бъдеще да намерят приложение в различни приложения, от екзоскелети и индустриални роботи до микрофлуидни технологии. Разработването и изследването на изкуствените мускули се извършва в различни направления - метали с памет на формата, електроактивни полимери, снопове от въглеродни нанотръби. Съвсем наскоро група изследователи предложи използването на спирали, направени от обикновена въдица, като евтини и високоефективни изкуствени мускули (Haines и др., 2014). Такъв изкуствен мускул се свива забележимо при нагряване и отново се удължава при охлаждане. Участниците бяха помолени да направят спираловиден мускул от найлонова въдица и да проучат свойствата му. Международен турнирмлади физици IYPT-2015 в задачата „Изкуствен мускул”.

Мускулите се нуждаят от тренировка

В нашите експерименти използвахме въдица с диаметър 0,7 mm. За да го навием в спирала, закрепихме електрическата бормашина във вертикално положение, затегнахме единия край на въдицата в патронника и прикрепихме тежест с тегло 3 N към другия край - с тази тежест въдицата няма да се счупи, но ще се извие в еднаква спирала. По време на процеса на усукване товарът трябва да се издигне нагоре, без да се върти около вертикална ос, за която е монтирана ключалка.

Когато надлъжните влакна на повърхността на въдицата се извият на приблизително 45° спрямо надлъжната ос, въдицата започва да се усуква в стегната спирала. Когато се усуче, първоначално парче въдица с дължина 1 m се превръща в 17 cm спирала. В този случай найлонът претърпява толкова силна пластична деформация, че след премахване на въртящата се сила спиралата почти не се развива обратно. По принцип това ново състояние на влакната може да бъде фиксирано чрез бавно нагряване на линията до температура, близка до точката на топене и след това охлаждане.

За да избегнем размотаването на спиралата по време на следващите тестове, ние съставихме изкуствен мускул от две спирали с дясно и ляво извиване, като ги закрепихме паралелно. Към вертикално окачения мускул отдолу беше прикрепен повдигащ товар. За да се свие мускулът, той се подава през тръба към горния му край. топла вода, които свободно се стичаха по спиралите. Мускулната температура се измерва с термичен сензор, прикрепен към него, а удължението се измерва с ултразвуков сензор за изместване.

Работата, извършена от двигателя за преместване на товар срещу константа действаща сила, е равно на произведението от големината на силата и преместването. Например, при преместване на свободно висящ товар с тегло 10 N нагоре (т.е. в посока, обратна на вектора на гравитацията) с 0,03 m, асансьорът извършва 10 N × 0,03 m = 0,3 J работа.

След като измерихме в няколко последователни теста как дължината на мускул с товар от 10 N, окачен на него, зависи от температурата, ние открихме ефекта от тренировката: след първите цикли на нагряване и охлаждане мускулът стана по-дълъг, но от четвъртия път циклите започнаха да се възпроизвеждат, така че тренираният мускул беше дълъг 200 mm, когато се нагрява от 20 до 80 °C, той се свиваше с 30 mm всеки път, извършвайки работа от 0,3 J, и след това се разтягаше със същото количество, когато се охлади. При нагряване спиралата абсорбира топлинна енергия от 50 J, така че ефективността на мускула е 0,06 %.

Извиване и серпентина

Нека сега обясним защо найлоновата спирала се свива с повишаване на температурата. Опитът показва, че при нагряване неусукана въдица с окачен товар също се свива, макар и не толкова забележимо. Това намаление се дължи на анизотропията на материала, от който е направена въдицата. Когато разтопеният найлон се прокарва през финере, дългите полимерни молекули се ориентират по линията. При нагряване натоварените полимерни влакна се държат по същия начин като нишките от опъната гума (Treloar, 1975) - те се свиват, увеличавайки ентропията на системата.

Сега помислете за въдицата, усукана до точката, където започва да се извива в спирала. Както вече беше споменато, в това състояние надлъжните влакна на повърхността на въдицата са извити на приблизително 45° спрямо оста. Когато влакното се нагрее, усуканите влакна се свиват, което кара влакното да се отвие. За простота ще приемем, че ако влакната са намалени с 1 %, тогава броят на оборотите, с които въдицата се развива, е 1 % от общия брой обороти, с които е усукана.

Просто трябва да разберем как са свързани свиването на влакната и свиването на спиралния мускул. Разработването на прост математически модел за описание на тази връзка беше важна част от нашето решение на проблема. В резултат на това, за да опишем свиването на спиралата, ние приложихме формулата на Калугареану–Уайт–Фулър (CWF):

което беше доказано в диференциалната геометрия (Călugăreanu, 1959; White, 1969; Fuller, 1971), а след това намери приложение в молекулярната биология при описанието на суперспирална ДНК (Fuller, 1978; Pohl, 1980).

Номер на ангажимент Lk (английски – свързващ номер) в тази формула показва колко оборота е бил усукан долният край на въдицата спрямо горния. Това число е топологичен инвариант: то остава непроменено при деформации на спиралата, ако долният край на линията не се развива спрямо горния.

Формулата на CWF казва, че предавката може да се разложи на два члена – Tw ( усукване) и Wr ( писане), чиято сума остава непроменена в нашия експеримент. Числото Tw характеризира усукването на влакната вътре в въдицата (основно); номер Wr – външно усукване на самата въдица (вторична), когато тя образува пространствена спирала.

За да разберете по-добре значението на тази формула, вземете тънък пластмасов шнур, начертайте права линия върху повърхността му с маркер и след това навийте кабела в спирала около парче дебела тръба, така че начертаната линия да гледа навън от тръбата . Да приемем, че кабелът е увит около тръбата на 5 оборота. В това състояние вътрешното усукване на влакната на кабела е Tw = 0, а числото на захващане е равно на външното усукване: Lk = Wr = 5. Сега хванете краищата на кабела с две ръце, извадете кабела от тръбата без да освобождавате ръцете си, и го опънете. Въжето се разтегна в права линия, пространствените пръстени изчезнаха и сега външното му усукване Wr = 0. В същото време въжето се оказа усукано около оста си и броят на оборотите на вътрешното му усукване стана равен към броя на ангажиментите: Tw = Lk = 5.

В математическите трудове, споменати по-горе, беше намерена математическа формула за изчисляване на външното усукване Wr в общия случай. За равномерно спирално усукване тази формула е значително опростена (Fuller, 1978), като приема формата

Wr = Н∙(1 – sin α),

Къде Не броят на навивките на външната спирала, α е ъгълът на повдигане на спиралата на спиралата.

Когато усукахме въдица с дължина метър в спирала, патронникът направи 360 оборота, преди да се образуват крилата (бримките), и 180 оборота след формирането на крилата; в този случай за всяка революция се появяваше по едно ново агне. Това означава, че вътрешното усукване на линията по време на формирането на крилата вече не е настъпило, така че готовият мускул се характеризира с числата Tw = 360, Wr = 180.

Опитът показва, че неусуканата найлонова въдица се свива с 1,1 %, когато се нагрява от 20 до 80°C. Предполагаме, че това свиване на влакната води до намаляване на вътрешното усукване Tw също с 1,1 %, т.е. с 4 оборота. Така външното усукване Wr се увеличава с 4 оборота, т.е. с 2,2 %. Брой навивки на спиралата Нне се променя, което означава, че стойността на израза (1 – sin α) се увеличава с 2,2%, т.е. стойността на ъгъла α намалява, поради което спиралата се скъсява. В готовия спирален мускул sin α ≈ 0,16, така че увеличаването на стойността на (1 – sin α) с 2,2 % води до намаляване на sin α с 13 %. Точно толкова е намалена височината на спиралата в нашия експеримент.

Разбира се, възприетият модел е доста груб, но дава резултати, съответстващи на експеримента. Основното му предимство е неговата простота: вместо да описваме структурата на влакната на въдицата, ние оперираме с числа Tw, Wr и Lk, които лесно се изчисляват експериментално. Цялата грубост на модела се крие в предположението, че относителното намаляване на вътрешното усукване на спиралата е равно на относителното намаление на влакната на неусуканата въдица при същата промяна на температурата. Това предположение може да бъде тествано в индиректен експеримент с въдица, усукана до точката, в която ще започнат да се образуват крилца върху нея, и фиксирана в това състояние чрез нагряване до температура, близка до точката на топене на найлон и последващо охлаждане.

Литература

Călugăreanu G. L’ intégral de Gauss et l’analyse des noеuds tridimensionnels // Rev. математика Pures Appl. 1959. Т. 4. С. 5–20.

Cherubini A., Moretti G, Vertechy R., Fontana M. Експериментално характеризиране на термично активирани изкуствени мускули на базата на навити найлонови въдица // AIP Advances. 2015. Т. 5. Док. 067158.

Haines C.S., Lima M.D., Na Li et al. Изкуствени мускули от въдица и шевни конци // Наука. 2014. Т. 343. С. 868–872.

Фулър Ф. Б. Числото на извиване на пространствена крива // ​​Proc. Нац. акад. Sci. САЩ. 1971. Т. 68. С. 815–819.

Fuller F. B. Разлагане на свързващия номер на затворена лента: Проблем от молекулярната биология // Proc. Нац. акад. Sci. САЩ. 1978. Т. 75. С. 3557–3561.

Pohl W. F. ДНК и диференциална геометрия // Math. Разузнавач. 1980. Т. 3. С. 20–27.

Treloar L. R. G. Физиката на еластичността на каучука. Oxford University Press, 1975 г.

White J. H. Самосвързване и интегралът на Гаус във високи измерения // Am. J. Math. 1969. Т. 91. С. 693–728.

Четенето на статията ще отнеме: 6 мин.

Pulchritudo mundum servisbit

(от латински - красотата ще спаси света)

Независимо от сегашния стандарт за красота на човешкото тяло, той винаги е бил търсен. Красивите тела имат по-голям шанс да се оженят успешно, да израснат в кариерата си, да бъдат популярни и дори да станат любимци на хората... пак кино и театър. Естествено, хората, лишени от стандартна красота, се стремят да доближат своето „просто малко тяло“ поне малко по-близо до стандарта, измъчвайки се с диети, физическа активност, носенето на корсети и в краен случай общуването по Skype строго в режим на разговор без видео или, в случай на кофти дикция, само кореспонденция. Но за съвременната индустрия за силиконови форми няма нищо невъзможно!

Повече от половин век са разработени пет поколения импланти, „за да коригират красотата на тялото“. Трябва да се отбележи, че сред тях няма абсолютно безопасна версия:

• първо поколение(1960-1970) се характеризира с издръжлива и плътна силиконова обвивка с гладка повърхност, контурите й се различават през кожата, а при натискане се чува хрущене, подобно на звука от смачкване на лист хартия. Въпреки дебелината на черупката, нейният пълнител частично се „изпоти“, причинявайки частично набръчкване на тъканта;
• второ поколение(1970-1980) силиконовите импланти имаха по-тънка обвивка и гладка повърхност. Пълнителят, както и в първото поколение, беше силиконов гел. Не хрускаха, но имаха по-висока степен на „изпотяване“ и, което беше много по-лошо, често се късаха. Някои модели импланти бяха покрити с гъбест материал, изработен от микрополиуретанова пяна, което намалява вероятността от възпаление и предотвратява движението на импланта;
• в черупки трето и четвърто поколение(създадена около 1985 г.) взе предвид недостатъците на предишните модели - текстура на повърхността, двойни стени и двойна камера, със силиконов гел във външната и физиологичен разтвор във вътрешната. Въвеждането на физиологичен разтвор в необходимия обем направи възможно коригирането на формата на импланта след поставянето „in situ“. Два слоя външни стени предотвратяват „изпотяването“, като го свеждат до минимум. Разкъсванията на импланти от тези поколения са редки, но се случват;
• пето поколение(създадена около 1995 г.). Издръжлив, пълен със силиконов гел с високо междумолекулно свързване (кохезия), не е склонен към "изпотяване". При промяна на позицията на тялото геометрията на имплантите не се променя под въздействието на гравитацията - пълнителят запазва паметта на първоначалната си форма. Въпреки това, няма 100% увереност в тяхната безопасност.

Силиконови пълнители за импланти:

• течен силикон, консистенция, подобна на растително масло;
• желеобразен силиконов гел със стандартна кохезия. Трудно е да се идентифицира имплант на пипане; неговата плътност съответства на жива тъкан. Степента на "изпотяване" е ниска, но този пълнител запазва формата си доста слабо;
• гел с висока кохезия, подобен по консистенция на мармалад. Има изключително ниска степен на деформация, не се "поти", но има висока памет на формата, т.е. областта на тялото в областта на импланта може да има неестествен вид;
• гел със средна степен на кохезия(меко на допир), подобно на желирано месо. Паметта на формата е средна, черупката не се „изпотява“;
• физиологичен разтвор(0,9% разтвор на трапезна сол във вода). Надеждността на имплантите е слаба, тъй като след девет месеца от момента на поставяне в тялото солта кристализира, т.е. придобива частично твърда форма. Получените солни кристали могат да пробият обвивката на импланта.

В зависимост от областта на поставяне, имплантите често имат овална форма, по-рядко конична форма. Във всички описани по-долу случаи се използват импланти поне от трето поколение.

Силиконови гърди. Много преди да се появят първите хирургически подобрени транссексуални жени, жените отчаяно искаха да подобрят формата на бюста си. При липса на други варианти бяха използвани различни трикове, като корсаж с щампа и обемна дантела. Но действаха само до момента, в който гърдите се разголиха, а след... след това срамът беше неизбежен. Опит за реконструкция на млечните жлези отвътре е направен за първи път от чешкия хирург Винсент Черни през 1895 г., използвайки мастната тъкан на пациента.

Развитието на филмовата индустрия в началото на 20-ти век даде нов тласък на гръдната имплантация. Хирурзите търсели оптималния материал за увеличаване на женския бюст, запълвайки го със стъклени топчета, мастна тъкан, вълна, навита пластмасова лента, пенополистирол и дори, вероятно по аналогия със стъклото, топчета от слонова кост. Сред изброените методи за имплантиране най-безвредният беше мастна тъкансамата пациентка, но новият бюст не запази формата си за дълго - тялото попи мазнини, а гърдите увиснаха повече от преди.

Но формите на филмовите звезди преследваха боядисаните блондинки от САЩ и Европа. Тяхната логика беше проста - ако можете да промените цвета на косата си, тогава защо не можете да реконструирате гърдите си? До средата на миналия век около 50 000 жени, предимно американци и японки (работнички в секс индустрията от Страната на изгряващото слънце), са увеличили размера на бюста си. Те използват нови материали от химическата индустрия по това време - поливинил гъби (както знаете, грамофонните плочи се правеха от винил) и течен силикон (шприцван). Последствията бяха ужасни... гърдите станаха толкова твърди, че собствениците трябваше да бъдат спасени, като ги премахнаха напълно.

Силиконовите импланти, каквито ги познаваме днес, се появяват през 1961 г. Те са създадени от американската корпорация Dow Corning - обвивката е направена от каучук, а пълнителят е силиконов гел. Три години по-късно френската Arion пуска своя версия на силиконови протези, пълни с морска вода. През 80-те години се помисли за американски импланти възможна причинарак на гърдата и в началото на 90-те години са забранени за масова употреба. След куп съдебни дела от притежателки на силиконови гърди Dow Corning плати над 3 милиарда долара обезщетение и фалира напълно.

Силиконови задни части. Този тип се нарича пластична хирургияглутеопластика. Целта на използването на импланти от тази група, както и при силиконовите гърди, е свързана с повишаване на естетическите характеристики на тялото - да направи плоската обемна.

Задните части заемат второ място по популярност сред представителите на по-силния и по-слабия пол, което означава, че техните атрактивни параметри са търсени сред потенциалните собственици на импланти на задните части. Модата на щръкналото дупе сред жените е въведена от Дженифър Лопес, танцьорка, а след това филмова актриса и певица. Дупето на Джей Ло винаги води сред останалите „звездни задни части“, което се улеснява от постоянната му демонстрация.

Трябваше да гледам неприятни видеоклипове в интернет със силиконови импланти в задните части, които уж могат свободно да се въртят под кожата. В действителност правилното им интегриране става под глутеални мускули, няма как да го разпознаете отвън, още по-малко да преместите имплантите.

Ако гърдите, пълни със силикон, са популярни предимно сред жените, то силиконовите задни части са еднакво привлекателни и за двата пола - в края на краищата равните дъна, свързани с възрастта, са характерни както за мъжете, така и за жените.

Силиконови мускули. Да си спомним филмовите герои от края на 80-те - брутални, отчаяно напомпани момчета от класа „hasta la vista, babe“, с лице, което не е обезобразено от мисъл. Шварценегер, Сталоун, Лунгрен, Рок Джонсън, Хълк Хоган и много други - всички те бяха обединени предимно от обемни, изобилни мускули по цялото тяло. Съвременните екшън герои не са това, което бяха. Интелигентността се промъкна в чертите на лицето им, физическите данни бяха по-скоро на средно ниво - те започнаха да играят ролите си, а не просто да се появяват в кадъра като купчина мускули с няколко стокови фрази на фона на анти-шоково бяло - назъбена усмивка.

Разбира се, мускулите на филмовите идоли не са от естествен произход, тъй като никакви тренировки не биха им позволили да образуват такива изпъкнали кубчета и топки. Мъже и жени, решени да се откроят от сивата маса земляни с впечатляващи мускули, бяха принудени да си инжектират, ядат и пият химикали, които изкуствено засилват растежа мускулни влакнаи предизвиква притока на кръв към мускулите. Разходите за стероиди бяха доста внушителни - от $25 000-30 000 годишно. В същото време обемни мускули и истински физическа силане са били синоними - културист е в състояние да вдигне значителна тежест на място, но не е в състояние да премести тежест, която е половината от вдигнатото тегло, т.к. няма мускулна издръжливост.

Съвременните екшън актьори от различни жанрове са придобили невероятна способност да променят обема на тялото си за няколко месеца, което пресата нарича част от техния физически талант и уменията на техните треньори. В действителност, и това може да се каже с голяма степен на вероятност, техните тела не са по-тренирани от тези на обикновените хора, които натоварват мускулите си само периодично. Много по-лесно е да получите изваяно тяло с помощта на силиконови форми - импланти за бицепс, коремни кубчета, делтоиди, мускули на прасецаи т.н. И в същото време няма да възникнат дефекти в тъканите и системите на тялото, гръбначният стълб няма да бъде застрашен от херния, а мускулите няма да бъдат застрашени от стрии и млечна киселина. Вярно е, че имплантът може да се спука...

Представям видео за двамата най-известни „имплантисти” в света на интернет, които се смятат за неустоимо красиви (не споделям мнението им) - британско-бразилиският Родриго Алвес и американецът Джъстин Джетлик:

Изкуствените мускули са добри, 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 нихромова 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

Мекият силикон за създаване на мускули може да бъде закупен в магазините за художествени стоки. 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. 24 февруари 2014 г

Как да си направим изкуствени мускули от въдица

Изследователи от Тексаския университет в Далас (САЩ) представиха синтетични мускули, които са 100 пъти по-мощни от истинските мускулни влакна със същата дължина и маса.

В същото време самата технология на производство се оказа изненадващо проста. Изкуствените мускули не изискваха никакви сложни синтетични полимери: Рей Баугман и колегите му просто взеха полимерна нишка като тази, използвана за направата на въдица или синтетични нишки, и я усукаха в спирала. Тази спирала може да се усуква и разтяга при промяна на температурата. Любопитно е, че техническият процес може да бъде променен така, че ефектът да бъде обратен, тоест нишката да се навива при охлаждане и да се разтяга при нагряване. Чрез промяна на броя на нишките в снопа е възможно да се постигнат различни механични характеристики на изкуственото „мускулно влакно“.

Синтетични влакна, направени от шест нишки с различна дебелина:
горната е от нишки с дебелина 2,45 мм, долната е от нишки с дебелина 150 микрона.
(Снимка от авторите на произведението.)

И тези характеристики са наистина впечатляващи. Първо, в сравнение с обикновените мускули, които могат да се свият само с 20% от дължината си, изкуствените могат да се свият наполовина. Такива мускули, разбира се, също не знаят как бързо да се уморяват. Ако комбинирате сто елементарни влакна заедно, такъв мускул може да вдигне повече от 700 кг. Спрямо теглото си влакната могат да произведат 7,1 конски сили. на кг, което според изследователите отговаря на мощността на реактивен двигател.

Двигателят за тях, както вече споменахме, е температурна разлика, която може да бъде постигната по всякакъв начин - било то с помощта на химическа реакция или чрез електричество (или дори да загреете тези влакна с дъха си). Що се отнася до самите влакна, учените особено подчертават изключителната простота на тяхното производство: те казват, че всеки ученик ще направи това по време на редовна лаборатория, основното е да се наблюдава физически условия, в който ще деформирате конеца. Гениалността на авторите на идеята е, че са успели да отгатнат огромния физически потенциал в тази тривиална полимерна структура.

Всъщност простотата на тези мускули вероятно затруднява незабавното оценяване на революционния характер на изобретението. Въпреки че изследователите, разбира се, демонстрираха възможното му приложение: адаптирани към прозореца, те го затваряха и отваряха в зависимост от околната температура. Освен това е възможно да се създаде тъкан от влакната, чиято порьозност отново се променя в зависимост от температурата и оттук е лесно да си представите „умни“ дрехи, които ще ви проветряват в жегата и ще спестяват топлина в студено.

Но, разбира се, лъвският дял от фантазиите около изкуствените мускули се дава на роботиката. Ясно е, че такива влакна могат да станат директен аналог на човешките мускули в роботите, с помощта на които те могат дори да променят изражението на лицето си. Синтетични мускулище бъдат полезни както при вдигане на тежести, така и при извършване на деликатни хирургически манипулации (ако си представим медицинските устройства на бъдещето).

В миналото са правени опити да се направят такива влакна от въглеродни нанотръби. Според Рей Боуман, който е преминал през този етап, експериментите с нанотръби са били успешни, но, първо, такива „наномускули“ са много трудни за производство и са изключително скъпи, и второ, те са намалени само с 10% от дължината си, т.е. , те са по-ниски дори от обикновените живи мускули, да не говорим за новооткритите полимерни влакна.

Засега имаме само един въпрос, който се отнася до ефективността и икономичността: колко топлина (и следователно електрическа или химическа енергия) трябва да се изразходва за тяхната механична работа? Авторите признават, че както всички изкуствени мускули като цяло, техните влакна в този смисъл не са особено ефективни, но има известни надежди, че в този случай ще бъде възможно да се оптимизират енергийните разходи доста бързо.

Адаптирано от Тексаския университет в Далас: Изследователи създават мощни мускули от въдица, конци.

назад

Прочетете също:

06 февруари 2014 г

Бионична ръка с усещане за допир

Преди девет години датчанинът Денис Соренсен трябваше да получи своя лява ръка. Разбира се, той не се замисли нито за минута, когато му предложиха да тества бионична протеза, която му позволява не само да извършва движения, но и да докосва предмети.

прочетете 22 януари 2014 г

Киборг сперма

Екип от изследователи от университета на Илинойс разработи нов тип малки биохибридни машини, които могат да се движат като сперма.

прочетете 22 януари 2014 г

Изкуствените мускули ще помогнат за рехабилитация на парализиран крак

Почти естествена мобилност може да се постигне от парализиран крак, ако използвате ортопедично устройство, изработено от гъвкав еластичен материал, който имитира структурата на мускулите и връзките на крака.

прочетете 22 януари 2014 г

Полимерна клетка имитира жива

Холандски изследователи създадоха изкуствена еукариотна клетка, която съдържа изкуствени органели и претърпява биохимични реакции, подобни на тези, протичащи в клетките на живите организми.

прочетете 26 декември 2013 г

Нематода с отворен код

Авторите на проекта OpenWorm, чиято цел е да създаде точно компютърно копие на кръглия червей C. elegans, обявиха значителен успех в моделирането на тази нематода. Изходният код на програмата е публикуван в публичното пространство.