Des scientifiques de l'Université nationale de Singapour ont créé un nouveau type de muscle artificiel dont les performances ont impressionné leurs collègues. Le fait est que ce nouveau type de muscle peut s’étirer jusqu’à cinq fois sa longueur d’origine et que le poids qu’il peut soulever est 80 fois supérieur à son propre poids.
L'objectif de ce développement est de doter les robots de caractéristiques de puissance étonnantes tout en garantissant la présence de la plasticité d'une personne.
Selon le Dr Adrian Koch, qui à l'heure actuelle est le responsable du programme, le matériau obtenu a une structure similaire au tissu musculaire des organismes vivants.
Le principal intérêt est que, malgré leur force, leur plasticité et leur flexibilité, ces muscles artificiels répondent aux impulsions électriques de commande en une fraction de seconde, ce qui constitue sans aucun doute un résultat colossal.
Par exemple, à l’heure actuelle, aucune mécanique ni aucun système hydraulique ne peuvent produire un tel effet. Comme le dit le chef du groupe, si vous équipez les robots de ces muscles artificiels à action rapide, il sera alors possible de s'affranchir des mouvements mécaniques des robots et de se rapprocher des indicateurs « plastiques » des humains ou de divers animaux. Avec tout cela, l’endurance, la force et la précision des mouvements doivent dépasser de loin celles de l’homme.
Ce matériau est un composite complexe, lui-même constitué de divers polymères. L'utilisation de polymères élastiques dans cette composition matérielle ayant la capacité de s'étirer 10 fois et de polymères capables de supporter un poids 500 fois supérieur au leur, nous a permis d'obtenir des résultats aussi étonnants. Comme le rapportent les scientifiques, les travaux de développement se poursuivront pendant plus d'un an, mais il est prévu de créer plusieurs types de membres pour les robots qui seront équipés de ce type de muscles artificiels. Il est intéressant de noter que le membre aura un poids et une taille moitié inférieurs à ceux de son homologue humain, mais la personne n'aura pas beaucoup de chances de gagner.
Malgré le fait que ce développement soit le plus intéressant pour un groupe de scientifiques dans ce domaine particulier, ils envisagent en parallèle d'utiliser le matériel obtenu à d'autres fins. Par exemple, le nouveau matériau est capable de convertir l’énergie mécanique en énergie électrique et vice versa. C'est pourquoi les scientifiques développent simultanément la conception d'un générateur électrique basé sur des matériaux polymères souples. Il est intéressant de noter que, selon les plans, son poids sera d'environ 10 kilogrammes et qu'il sera capable de produire autant d'électricité qu'un générateur traditionnel utilisé dans les éoliennes et pesant 1 tonne.
Muscles artificiels bon car ils ne contiennent pas d’éléments mobiles internes. Il s'agit d'une autre alternative, assez radicale, aux moteurs électriques et pneumatiques avec hydraulique. Les échantillons existants aujourd’hui sont soit des polymères sensibles à la contrainte ou à la température, soit des alliages à mémoire de forme. Les premiers nécessitent une tension assez élevée, tandis que les seconds ont une amplitude de mouvement limitée et sont également très coûteux. Pour créer des robots souples, de l'air comprimé est également utilisé, mais cela nécessite la présence de pompes et complique la conception. Pour fabriquer des muscles artificiels, nous nous sommes tournés vers la recette de scientifiques de l'Université de Columbia, qui ont réussi à combiner puissance élevée, légèreté, élasticité et simplicité étonnante dans un seul modèle. Les muscles sont en silicone souple ordinaire, dans lequel des bulles d'alcool sont préalablement injectées. Lorsqu'il est chauffé avec une spirale nichrome, l'alcool qu'ils contiennent commence à bouillir et le silicone gonfle considérablement. Cependant, si vous mettez tout cela dans une tresse rigide avec un tissage de fils perpendiculaire, le gonflement se transformera en contraction normale - de la même manière que fonctionnent les moteurs pneumatiques McKibben.
Étant donné que le silicone ne conduit pas bien la chaleur, il est important de ne pas appliquer trop de puissance sur la résistance, sinon le polymère commencerait à fumer. Bien sûr, cela semble impressionnant et ne gêne guère le travail, mais cela peut finalement provoquer un incendie. Une faible puissance n’est pas non plus une bonne chose, car le temps de réduction peut alors être retardé. Dans tous les cas, un capteur thermique limite et un contrôleur PWM ne seront pas superflus dans la conception.
Méthodes
Les muscles en silicone sont étonnamment simples dans leur conception, et lorsque vous travaillez avec eux, vous ne rencontrez en réalité que deux problèmes : sélectionner la puissance et créer des moules de coulée assez pratiques.
Il est pratique de réaliser des moules de remplissage à partir de feuilles de plastique transparentes. Gardez simplement à l'esprit que le mécanisme de fixation de la spirale à l'intérieur du polymère doit être pensé à l'avance : après avoir coulé, il sera trop tard.
Et des matériaux
Du silicone souple pour créer des muscles peut être acheté dans les magasins de fournitures d'art. La tresse du tissage requis est généralement utilisée pour organiser et câbler les câbles ; vous devriez la rechercher auprès des électriciens. Les plus grandes difficultés surviennent avec l'éthanol à 96 pour cent, qui est plus difficile à acheter en Russie qu'un réservoir. Cependant, il peut être remplacé par de l'isopropanol.
Popular Mechanics tient à remercier le Skeleton Shop pour son aide au tournage.Les gros muscles sont le résultat d’années d’entraînement intensif et de litres de sueur. Mais il y a des gens qui croient pouvoir obtenir le même look que les athlètes professionnels, mais beaucoup plus rapidement et plus facilement. C’est vraiment possible, la seule question est à quel prix ?
Muscles en silicone
La première façon d'obtenir d'énormes muscles sans visiter salle de sport- passer sous le bistouri du chirurgien. La chirurgie moderne a atteint le point où il est possible d’agrandir non seulement les seins et les lèvres, mais aussi toute autre partie du corps. Et maintenant, non seulement les femmes, mais aussi les hommes s'insèrent activement des implants en silicone pour paraître plus attrayants.
Il existe deux manières de placer un implant : au-dessus du muscle et sous le muscle. La première option est plus simple, moins chère et moins traumatisante, mais le problème est qu'un tel muscle n'aura pas l'air naturel et sera doux au toucher. Dans le second cas, les muscles existants sont littéralement ouverts et l'implant est poussé en dessous, après quoi le tissu musculaire est recousu. Une telle opération est très complexe et dangereuse, et la récupération après cela prendra plusieurs mois, mais le résultat sera meilleur - la présence de l'implant ne sera pas perceptible et le muscle conservera sa dureté inhérente.
Obtenir un implant représente un risque énorme, car le corps peut tout simplement ne pas l’accepter ou réagir par une réaction allergique grave. Les conséquences d'un dommage à l'implant peuvent être encore pires : vous pouvez même perdre la partie du corps où le muscle artificiel a été implanté.
Justin Jedlica, Silicone Ken
L’exemple le plus célèbre de chirurgie plastique masculine est peut-être L'Américain Justin Jedlica, alias Silicone Ken. Obsédé par l'idée d'être comme l'ami de la poupée Barbie, il a souffert environ 90 chirurgie plastique d'une valeur totale de plus de 100 mille dollars. Bien sûr, c’est le visage de l’homme qui a subi le plus de changements, mais les chirurgiens ont également travaillé sur son corps sculpté, en insérant des implants en silicone dans la poitrine, les bras, les épaules et le ventre de Justin.
Pompes
Oui, oui, le push-up masculin existe aussi. Il se porte sous un tee-shirt, se ferme dans le dos et imite une poitrine et des abdominaux sculptés. Un simple substitut musculaire a été inventé au Japon et a rapidement gagné en popularité en Asie.
Synthol
Si les hommes se tournent rarement vers la chirurgie plastique, des méthodes chimiques encore plus dangereuses consistant à augmenter artificiellement les muscles sont malheureusement utilisées beaucoup plus souvent. Le médicament le plus célèbre est le synthol, inventé dans les années 1990 et qui devient rapidement notoire. Le synthhol n'a pas de propriétés anabolisantes ; il augmente le volume musculaire en absorbant les huiles dans les fibres musculaires. Autrement dit, les muscles ne grossissent pas, ils gonflent simplement.
Le synthhol est excrété par le corps pendant très longtemps - jusqu'à 5 ans. De plus, il possède une quantité énorme effets secondaires, dont beaucoup sont extrêmement dangereux et menacent les athlètes de conséquences graves, voire mortelles. Ainsi, l'entrée d'huile dans le sang peut provoquer une embolie graisseuse, ce qui menace à son tour une crise cardiaque ou un accident vasculaire cérébral. D'autres problèmes possibles incluent diverses infections, lésions nerveuses, kystes et ulcères.
Internet regorge de nombreux exemples de « victimes » du synthol, et les légendes du bodybuilding s'opposent activement à de telles méthodes de croissance musculaire. « Mon attitude envers le synthol est la même que envers tous les implants. "Il s'agit d'une tentative d'améliorer le physique par des méthodes cosmétiques, en évitant le travail acharné qui fait du bodybuilding un véritable sport", a déclaré M. Olympia Dorian Yates, six fois.
L'invention concerne le domaine des prothèses bioniques, à savoir les muscles artificiels, qui sont des matériaux composites exposés à de faibles impulsions électriques. Le muscle artificiel contient des fibres de nylon et/ou de polyéthylène, et il représente un milieu composé d'au moins un polyorganosiloxane, d'au moins une résine époxy et d'au moins un catalyseur de polymérisation de résine époxy. Le muscle est cousu avec un ou plusieurs fils d'au moins un composé intermétallique à mémoire de forme et une fibre de nylon et/ou de polyéthylène. Le résultat technique consiste à offrir un temps de réponse court et la possibilité d'une contraction rapide sous l'influence d'impulsions électriques, notamment avec une densité de courant allant jusqu'à 20 mA/cm 2, à éliminer la possibilité d'une contraction incontrôlée sous l'influence de l'environnement. température et en conférant au muscle artificiel des propriétés d'auto-guérison. 10 salaire fichiers, 2 tableaux.
Muscle artificiel
L'invention concerne le domaine des prothèses bioniques, à savoir les muscles artificiels, qui sont des matériaux composites capables de se contracter sous l'influence de faibles impulsions électriques. Le muscle artificiel peut être utilisé en médecine comme composant membres bioniques ou comme implant indépendant, ainsi qu'en robotique dans la production de manipulateurs de haute précision.
Le problème de la création de matériaux ayant une affinité chimique et des propriétés mécaniques proches des fibres musculaires vivantes, à travers lesquelles le mouvement se produit dans le corps humain ou animal, est largement connu. À l'heure actuelle, plusieurs types de muscles artificiels ont été développés, mais lors de l'utilisation de chacun d'eux, un certain nombre de problèmes se posent en termes de coût des matériaux et d'utilisation limitée.
On connaît un muscle artificiel hydraulique comprenant un premier connecteur à extrémité fermée, un tube en caoutchouc élastique, des fils tissés de fibres à haute résistance enroulés autour dudit tube, un deuxième connecteur à extrémité fermée par lequel l'eau pénètre dans le tube, deux anneaux. des pinces en forme situées aux bords du muscle, deux pinces en forme d'anneau situées dans la partie médiane du muscle, et deux éléments de fixation en forme de cône tournés vers l'intérieur du muscle (CN 103395072 A, A61F 2/50, 11/ 20/2013). Le muscle décrit a une applicabilité très limitée : son utilisation n'est possible qu'en robotique basée sur des systèmes hydrauliques.
On connaît du tissu musculaire artificiel, constitué de nanotubes de carbone imprégnés de cire et tordus en spirale (magazine Science, volume 338, pages 928-932, 16 novembre 2012).
Le tissu musculaire artificiel décrit est capable de soulever un poids qui dépasse le sien cent mille fois, mais il a un coût très élevé et se caractérise en même temps par une sensibilité accrue aux facteurs environnementaux : des changements de température ou des microcourants peuvent conduire à son involontaire. contraction.
L'analogue le plus proche du muscle artificiel revendiqué est la fibre de nylon ou de polyéthylène torsadée en spirale (http://nauka21vek.ru/archives/56843, 26/02/2014).
Les avantages de cette fibre sont sa capacité à rétrécir rapidement lorsqu'elle est chauffée, ainsi que son faible coût, mais elle présente en même temps un certain nombre d'inconvénients. Outre sa sensibilité à la chaleur, il n'est pas capable de se contracter complètement sous l'influence de faibles impulsions électriques, telles que les impulsions nerveuses. À cet égard, pour créer des membres prothétiques, il devient nécessaire d'utiliser des amplificateurs et des convertisseurs de signaux électriques-thermiques, ce qui nécessite à son tour l'utilisation de sources d'énergie (piles, accumulateurs). Une sensibilité accrue de la fibre à la température ambiante peut entraîner une contraction musculaire involontaire et, par conséquent, un mouvement du membre artificiel. À cet égard, il est nécessaire d'utiliser des isolants thermiques. Les conditions ci-dessus compliquent la conception et le coût de la prothèse, et créent également des inconvénients d'utilisation.
L'objectif de l'invention proposée est de créer un muscle artificiel inoffensif et peu coûteux, capable de recevoir des impulsions nerveuses ou des impulsions similaires.
Le résultat technique de l'invention proposée est d'offrir un temps de réponse court et la possibilité d'une contraction rapide sous l'influence d'impulsions électriques, en particulier avec une densité de courant allant jusqu'à 20 mA/cm 2 , éliminant la possibilité d'une contraction incontrôlée sous l'influence de la température ambiante et conférant au muscle artificiel des propriétés d'auto-guérison.
Le résultat technique est obtenu grâce au fait qu'il est proposé un muscle artificiel contenant des fibres de nylon et/ou de polyéthylène, et il représente un milieu composé d'au moins un polyorganosiloxane, d'au moins une résine époxy et d'au moins un catalyseur de polymérisation de résine époxy, et le le muscle est cousu avec un ou plusieurs fils d'au moins un intermétallique à mémoire de forme et une fibre de nylon et/ou de polyéthylène.
Le composé intermétallique à mémoire de forme peut être choisi dans le groupe : Ti-Ni, Zr-Ni, Fe-Mn-Si et alliage Heusler. L'effet mémoire de forme des composés intermétalliques répertoriés est le plus prononcé. De plus, Fe-Mn-Si est le moins cher, Ti-Ni est le plus courant et étudié, Zr-Ni a une réponse élevée aux impulsions électriques.
Pour un renforcement supplémentaire, donnant au muscle des mouvements plus fluides et plus linéaires, il peut être en outre cousu avec des fils en élastomère.
Pour augmenter l'amplitude de contraction du muscle artificiel sous l'influence d'une impulsion électrique, il est souhaitable que la fibre de nylon et/ou de polyéthylène soit torsadée en spirale.
Pour augmenter la réponse du muscle à une impulsion de courant et conférer une précision de mouvement, il est souhaitable qu'un ou plusieurs brins d'au moins un composé intermétallique à mémoire de forme soient tordus en spirale.
Pour augmenter encore la vitesse de contraction du muscle artificiel, adoucir le début et la fin de sa contraction sous l'influence d'une impulsion électrique, et réduire les frottements internes, il est souhaitable qu'un ou plusieurs brins d'au moins un composé intermétallique à mémoire de forme être torsadés avec des fibres de nylon et/ou de polyéthylène en spirale les uns autour des autres.
Pour améliorer l'adhésion, un ou plusieurs brins d'au moins une fibre intermétallique à mémoire de forme et de nylon et/ou de polyéthylène peuvent être liés à un support constitué d'au moins un organopolysiloxane par liaison ou chauffage à haute température suivi d'un refroidissement.
Comme catalyseur pour la polymérisation de la résine époxy, vous pouvez utiliser le catalyseur Grubbs, qui est le plus accessible et le plus répandu.
Pour un renforcement supplémentaire, augmentant le taux de contraction sous l'influence du courant et améliorant la sensibilité aux faibles impulsions de courant, le muscle artificiel peut être en outre cousu avec de la fibre de nanotubes de carbone.
Dans le cas de contact entre plusieurs muscles artificiels, pour réduire les frottements entre eux, il est souhaitable qu'une couche de polyméthylsiloxane soit appliquée à la surface du muscle artificiel.
Afin de réduire le coût d'un muscle artificiel tout en maintenant une force et une vitesse de réponse élevées aux impulsions électriques, il peut avoir le contenu de composants suivant, en poids. % :
Les polyorganosilicanes présentent de nombreux avantages par rapport aux autres simulants de tissus vivants. Les produits fabriqués à partir de ceux-ci sont les plus inoffensifs et les plus durables, ont une température de transition vitreuse très basse (environ -130°C), sont capables de copier et de conserver les valeurs spécifiées. apparence, et également en consistance, ils sont proches des tissus biologiques, tels que les muscles naturels.
Il existe un certain nombre de matériaux à mémoire de forme pour lesquels un effet auto-cicatrisant est également possible. L’un des exemples les plus courants d’un tel matériau est le composé intermétallique Ni-Ti (nitinol), dans lequel il y a un atome de nickel pour chaque atome de titane. Si un produit fabriqué à partir de celui-ci est déformé, une fois chauffé, il reprendra sa forme précédente. Parallèlement au chauffage, en raison de la présence d'une certaine résistance, le produit peut également reprendre sa forme en y faisant passer un courant. Si le produit est un fil fin, cela peut être réalisé même avec un faible courant, par exemple jusqu'à 20 mA/cm 2, qui circule le long des fibres nerveuses.
La mémorisation de sa position dans certaines conditions, ainsi que la possibilité d'auto-guérison, sont dues à l'effet de désinclinaison, dans lequel la migration des grains se produit aux limites des zones défectueuses, c'est-à-dire que les défauts métalliques acquièrent des champs de contraintes avec des charges si intenses que le les bords des fissures se rapprochent et le composé intermétallique endommagé est régénéré.
Il a été constaté que certains autres composés intermétalliques à base de nickel, dans lesquels le deuxième composant sous sa forme pure présente un réseau cubique hexagonal compact ou centré sur le corps, peuvent avoir une propriété similaire. De tels composés intermétalliques comprennent Ni-Zr et Ni-V. L'utilisation de ce dernier à des fins médicales est exclue en raison de la toxicité accrue du vanadium et de ses composés, mais son utilisation est possible en robotique lors de la création de manipulateurs.
Une étude du composé intermétallique Ni-Zr, dans lequel il y a un atome de zirconium pour chaque atome de nickel, a montré qu'il est capable de répondre légèrement plus rapidement aux impulsions électriques que le nitinol (Ti-Ni), ce qui est probablement dû à la chaleur. conductivité du deuxième composant : la conductivité thermique du zirconium à 300 K est de 22,7 W/(m K) et du titane est de 21,9 W/(m K).
La manifestation de la mémoire de forme sous l'influence d'un champ magnétique est connue dans un composé intermétallique appelé alliage Heusler et répondant à la formule suivante : X 2 YZ, où X, Y, Z sont des métaux différents. Le type le plus courant de cet alliage est le Ni 2 MnGa. La mémoire de forme est provoquée par une transition de phase martensitique et peut également être assurée par des impulsions électriques qui modifient le champ magnétique de l'alliage Heusler.
En plus de ce qui précède, un composé intermétallique à mémoire de forme est également connu - Fe-Mn-Si, qui se caractérise par un faible coût.
D'autres matériaux à mémoire de forme sont également connus, par exemple les composés intermétalliques : Au-Cd, Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni, Fe-Mn-Si, Fe-Ni, Cu-Al, Cu-Mn, Co. - Ni et Ni-Al. Cependant, en raison de leur faible mémoire de forme et de leurs propriétés d’auto-guérison, ils sont plus difficiles à utiliser en pratique.
Ainsi, pour contrôler un muscle bionique avec des impulsions électriques, il doit être cousu avec des fils d'au moins un composé intermétallique à mémoire de forme, et l'épaisseur des fils doit être sélectionnée en fonction de l'ampleur des signaux entrants. Évidemment, pour percevoir les petits influx nerveux, l'épaisseur des fils doit être faible - de l'ordre de 0,02 à 0,5 mm. Pour percevoir de fortes impulsions, l'épaisseur peut être de plusieurs millimètres ou plus.
Parallèlement, l'utilisation d'un tel composé intermétallique sans milieu jouant le rôle d'isolant thermique et d'isolant électrique (en l'occurrence un polyorganosiloxane) conduit à la sensibilité du composé intermétallique à la température ambiante et ainsi son mouvement devient incontrôlé.
Il existe des matériaux qui peuvent rapidement rétrécir sous l’effet de la chaleur. Il s'agit de fibres de polyéthylène et de nylon, caractérisées par un faible coût, une résistance élevée et une résistance à l'usure. Cependant, leur utilisation comme muscles artificiels sans filaments intermétalliques à mémoire de forme entraîne un certain nombre de problèmes. En raison de la faible conductivité électrique des fibres, de faibles impulsions de courant ne sont pas capables d'activer ces muscles sans appareils électroniques supplémentaires. Cependant, dans le cas de l'action synchrone d'une impulsion à la fois sur des filaments intermétalliques à mémoire de forme et sur des fibres de nylon et/ou de polyéthylène, les muscles, par un certain nombre d'impulsions répétées, deviennent capables de se contracter avec une amplitude et une vitesse élevées. Ceci est dû à une réaction en chaîne : la première impulsion entraîne une légère contraction de la fibre, provoquant une légère compression du composé intermétallique avec lequel elle est dans le même système relié par un milieu polyorganosiloxane, la deuxième impulsion comprime directement le composé intermétallique , qui s'est souvenu de sa position précédente sous un courant présentant certaines caractéristiques (force, fréquence), provoquant une contraction de la fibre avec une plus grande amplitude. Avec la troisième impulsion et les suivantes, le muscle artificiel commence à travailler avec grande vitesse et l'amplitude du mouvement. Ainsi, un muscle artificiel ne peut fonctionner pleinement que lorsqu'une impulsion électrique est appliquée simultanément à la fibre et aux fils intermétalliques.
Coudre le muscle artificiel avec des fils en élastomère le renforcera encore et permettra des mouvements de plus en plus fluides. mouvements fluides tout en conservant les autres paramètres. Il est permis d'utiliser divers caoutchoucs comme élastomères, de préférence avec une élasticité et une résistance à la déchirure élevées.
La présence de résine époxy dans le muscle artificiel ainsi qu'un catalyseur pour sa polymérisation, par exemple le catalyseur Grubbs le plus accessible, permettront au muscle de récupérer dans un court laps de temps en cas de dommage, par exemple mécanique, chimique ou thermique.
Lorsqu'elle est chauffée sous sa forme dépliée, la fibre de nylon ne peut rétrécir que de 4/100, celle du polyéthylène de 3/1000. Cependant, si ces fibres sont torsadées en spirale, le nylon acquiert une capacité de compression de 34/100 et le polyéthylène de 16/100. Cet effet s'explique par un phénomène physique simple : dans une forme redressée, le fil se contracte du fait d'une augmentation de son épaisseur ; dans le deuxième cas, il se contracte à la fois du fait d'une augmentation de son épaisseur et du raccourcissement de la spirale ; Les valeurs ci-dessus sont proches de la capacité de réduction naturelle fibres musculaires et peuvent permettre à leur homologue de soulever de lourdes charges.
Si les fils de composés intermétalliques à mémoire de forme sont tordus en spirale, la réaction du muscle artificiel à la même impulsion de courant devient meilleure : en vitesse, degré de contraction et rectitude des mouvements, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de vibrations perpendiculaires au axe de passage des spirales des fils intermétalliques. Le taux et le degré de contraction des composés intermétalliques s'expliquent par un effet similaire à celui des fibres de nylon et de polyéthylène. L'absence de vibrations perpendiculaires s'explique par ce qui suit. Le mouvement d'un composé intermétallique sous forme de fil redressé est plus difficile à prévoir du fait qu'il n'est déterminé par la mémoire de la structure cristalline du métal qu'au niveau de la section transversale d'un fil fin. Si, en raison de certains facteurs, la température dans une section du fil devient très différente de la température dans d'autres sections, cela peut entraîner un mouvement incorrect du muscle artificiel. Parallèlement, le mouvement du composé intermétallique sous forme de fil torsadé en spirale sera déterminé par la mémoire de la structure cristalline du métal sur toute la section transversale de la spire en spirale, ce qui contribue à la stabilisation et la rectitude des mouvements.
Si des brins de composés intermétalliques à mémoire de forme sont tordus avec la fibre en spirale les uns autour des autres, cela conduira à une série de effets positifs, à savoir : à un début et une fin de contraction plus doux du muscle artificiel sous l'influence d'une impulsion électrique, à une augmentation supplémentaire de la vitesse de contraction et à une diminution des frottements internes. Étant donné que les matériaux sensibles aux impulsions actuelles réagissent au courant avec à des vitesses différentes(par exemple, un composé intermétallique, en raison de sa conductivité électrique élevée, répond plus rapidement à une impulsion de courant), leur entrelacement conduira à leur mouvement synchrone, ce qui réduira les frottements au sein du matériau et, par conséquent, réduira son usure.
De plus, il convient de noter que la couture de fils et de fibres intermétalliques à l'état torsadé augmente leur adhérence à la base et ainsi, lors de la contraction, aucun frottement interne ne se produit dans le muscle et celui-ci fonctionne avec une efficacité maximale.
Pour améliorer encore l'adhérence, plus nécessaire si le fil est à l'état redressé, il peut être associé à une base organopolysiloxane, par exemple par collage ou chauffage à haute température suivi d'un refroidissement. Dans le cas de ce dernier, le polyorganosiloxane se ramollit d'abord et, lors d'un refroidissement ultérieur, il fusionne avec le fil.
Le collage se fait de préférence avec de la colle à base de résine époxy qui, en cas de rupture, polymérise rapidement sous l'action d'un catalyseur.
Un muscle artificiel peut en outre être cousu avec de la fibre de nanotubes de carbone, qui se contracte également sous l'influence d'impulsions électriques et possède en même temps des propriétés de résistance élevées, réagit aux impulsions à grande vitesse et a une bonne sensibilité aux faibles courants. Ainsi, sa présence peut améliorer quelque peu la force et l'amplitude de la contraction musculaire, mais le coût de cette dernière dans ce cas augmentera.
Aussi, compte tenu, bien que moindre, mais néanmoins assez élevé, du coût des composés intermétalliques, notamment Ni-Ti, pour réduire le coût du muscle artificiel avec une légère perte de force et de rapidité de réponse aux impulsions électriques, il vaut mieux utiliser du muscle de la composition suivante, en poids. % :
Le muscle artificiel proposé peut être utilisé comme partie intégrante des membres bioniques ou servir d’implant indépendant remplaçant le muscle vivant. Dans ce dernier cas, les extrémités des muscles artificiels peuvent être reliées à l'os à l'aide d'adhésifs médicaux, tels que la colle cyanoacrylate, l'ostéoplaste et autres.
Dans les cas où il est nécessaire de remplacer uniquement une section distincte de muscle vivant, son analogue artificiel peut également être collé au muscle vivant endommagé, mais dans une telle situation, il existe une forte probabilité de non-greffe. Des facteurs tels que la contraction, la respiration des tissus des fibres musculaires, un métabolisme constant et d'autres processus chimiques peuvent provoquer le rejet de l'implant. Compte tenu de ce qui précède, lors de l'implantation, il est recommandé que le muscle artificiel proposé soit collé à l'os plutôt qu'à tissu musculaire. Ainsi, un muscle vivant endommagé peut être complètement remplacé par un muscle artificiel, mais en restaurer une section distincte à l'aide d'un analogue artificiel à ce stade est très problématique.
5 échantillons cylindriques mesurant 40 x 7 mm ont été réalisés. Tout d'abord, du polyorganosiloxane, de la résine époxy et un catalyseur pour sa polymérisation ont été mélangés, et le mélange a été effectué en deux étapes. Lors de la première étape, à sa température de fusion, une petite quantité du durcisseur polyorganosiloxane, le peroxyde de benzoyle, a été ajoutée au polyorganosiloxane, en l'agitant doucement dans le sens des aiguilles d'une montre. Suite à cela, après un léger épaississement, de la résine époxy y a été introduite. Lorsque, au fur et à mesure du refroidissement du mélange et de l'action du durcisseur, le mélange est devenu encore plus épais, en continuant à l'agiter doucement dans le sens des aiguilles d'une montre, lors de la deuxième étape, un catalyseur de polymérisation de résine époxy y a été introduit.
L'agitation uniforme dans un sens du polyorganosiloxane épaississant progressivement et l'introduction alternée de résine époxy (avec une consistance moins épaisse du milieu) et d'un catalyseur pour sa polymérisation (avec une consistance plus épaisse du milieu) ont conduit au fait que ces composants se sont progressivement solidifiés dans la masse de polyorganosiloxane, présentant une séparation de phases entre elles et en grande partie sans réagir. De plus, comme la résine a été introduite avec une consistance moins épaisse du milieu, sa répartition dans le muscle artificiel est plus étendue, contrairement au catalyseur de polymérisation.
Le mélange résultant presque solidifié a été chargé dans une forme cylindrique, refroidi à une température de 65°C, cousu à travers celui-ci le long de l'axe du cylindre avec des fils intermétalliques, des fils d'élastomère, des fibres de nanotubes de carbone, des fibres de nylon et de polyéthylène, après quoi la pièce résultante a été refroidi à température ambiante, au cours de laquelle il a été davantage durci et les fils ont été fermement fixés dans le support et retirés du moule. La couture était réalisée soit avec une aiguille droite, soit avec une aiguille réalisée en spirale. La composition et les caractéristiques des échantillons sont présentées dans le tableau 1.
Les échantillons ont été cousus avec 2 fils d'un polymère conducteur - polythiophène, de telle sorte que les fils aient une zone de contact avec chaque fil du composé intermétallique, de la fibre de nylon et/ou de polyéthylène et de la fibre de nanotubes de carbone.
La partie supérieure de l'échantillon dans laquelle les fils y étaient insérés était fixée dans un anneau métallique compressif et les fils constitués d'un polymère conducteur étaient connectés à une source d'alimentation.
Un fil de nylon avec un poids suspendu pesant 250 g a été enfilé dans la partie inférieure de l'échantillon.
Ensuite, le courant a été appliqué à l'échantillon selon le mode suivant : 1,5 seconde - alimentation en courant, 1 seconde - pause, tandis qu'après la troisième impulsion, le temps de retard du signal (temps de réponse), la vitesse et le degré de contraction du muscle artificiel ont été mesurés. . Les deux premières impulsions n’ont pas été prises en compte, car les composés intermétalliques n’avaient pas encore « mémorisé » le mouvement de contraction.
Après avoir effectué plusieurs mesures, les échantillons ont été soufflés avec de l'air chaud (environ 50°C) pendant 10 secondes et à ce moment-là, la vitesse et le degré de contraction du muscle artificiel ont également été mesurés.
Ces paramètres ont également été mesurés avec une alimentation en courant et un chauffage simultanés.
Après cela, les échantillons ont été endommagés : une coupure a été pratiquée dans sa partie médiane, endommageant les fils et les fibres. Ensuite, les 1er et 3ème échantillons ont été laissés seuls, et les 2ème, 4ème et 5ème échantillons ont été alimentés en courant pour la troisième fois dans le même mode.
Les caractéristiques du courant fourni, les propriétés et les réactions du muscle artificiel aux impulsions de courant, à la température ambiante et aux dommages sont présentées dans le tableau 2.
Selon les données obtenues, le muscle bionique proposé a un temps de réponse court ; il est capable de se contracter sous l'influence de faibles impulsions électriques, et le degré de contraction incontrôlée sous l'influence de la température ambiante est si faible qu'il peut être négligé.
En outre, le muscle proposé a la propriété de s'auto-guérir dans un court laps de temps et lorsqu'un signal de courant est appliqué, la vitesse et le degré de récupération augmentent. La vitesse de réponse musculaire aux impulsions de courant est influencée par des paramètres tels que la fréquence du courant, ainsi que par la géométrie de la disposition des fils et fibres intermétalliques s'ils sont tordus en spirale et, plus encore, s'ils le sont ; tordus en spirale les uns autour des autres, la vitesse de la réaction musculaire augmentera .
En présence de fils en élastomère, toutes les caractéristiques ci-dessus du muscle restent à peu près les mêmes, mais ses mouvements deviennent plus fluides.
La fibre de nanotubes de carbone a un effet négligeable sur la vitesse de réponse, la résistance et le taux de contraction. Sa présence n’est donc pas obligatoire et il peut être injecté dans le muscle, en fonction du coût.
Compte tenu du fait que le muscle artificiel proposé est capable d'atteindre le résultat technique annoncé, nous pouvons juger que les problèmes myologiques liés à l'implantation ont été résolus. Dans le même temps, une question demeure du côté neurologique, à savoir celle concernant la fourniture d'un signal de courant du nerf aux muscles (y compris via un nerf artificiel).
Puisque presque tout produits chimiques, inclus dans le muscle artificiel proposé, sont peu coûteux et le composant le plus précieux, le nitinol, ne nécessite pas de consommation importante, en raison de son coût relativement faible, peut également être largement utilisé en robotique et en génie mécanique, par exemple ; dans la production de manipulateurs de haute précision.
1. Muscle artificiel contenant des fibres de nylon et/ou de polyéthylène, caractérisé en ce qu'il est un milieu d'au moins un polyorganosiloxane, d'au moins une résine époxy et d'au moins un catalyseur de polymérisation de résine époxy, dans lequel le muscle est cousu avec un ou plusieurs fils. d'au moins un composé intermétallique à mémoire de forme et de fibres de nylon et/ou de polyéthylène.
2. Muscle artificiel selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composé intermétallique à mémoire de forme est choisi dans le groupe : Ti-Ni, Zr-Ni, Fe-Mn-Si et alliage Heusler.
3. Muscle artificiel selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est en outre cousu avec des fils d'élastomère.
4. Muscle artificiel selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fibre de nylon et/ou de polyéthylène est torsadée en spirale.
5. Muscle artificiel selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un ou plusieurs fils d'au moins un composé intermétallique à mémoire de forme sont torsadés en spirale.
6. Muscle artificiel selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un ou plusieurs fils d'au moins un composé intermétallique à mémoire de forme sont torsadés avec des fibres de nylon et/ou de polyéthylène en spirale les uns autour des autres.
7. Muscle artificiel selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un ou plusieurs fils d'au moins un composé intermétallique à mémoire de forme et de fibre de nylon et/ou de polyéthylène sont reliés à un support d'au moins un polyorganosiloxane par collage ou chauffage à haute température suivi d'un refroidissement.
8. Muscle artificiel selon la revendication 1, caractérisé en ce que le catalyseur Grubbs est utilisé comme catalyseur pour la polymérisation de la résine époxy.
9. Muscle artificiel selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est en outre cousu avec de la fibre de nanotubes de carbone.
10. Muscle artificiel selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une couche de polyméthylsiloxane est appliquée à sa surface.
11. Muscle artificiel selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il présente la teneur en composants suivante, en poids. % :
Brevets similaires :
L'invention concerne l'électronique micro-ondes. Dans un transistor à effet de champ hyperfréquence puissant basé sur une hétérostructure semi-conductrice, ladite hétérostructure semi-conductrice est réalisée sous la forme d'une séquence des couches principales suivantes, au moins une couche tampon en GaAs d'une épaisseur d'au moins 200 nm, un groupe de couches conductrices formant le canal du transistor à effet de champ, faisant partie de la couche de canal InyGa1-yAs elle-même de 12 à 18 nm d'épaisseur et au moins deux couches δn dopées avec une impureté donneuse, et deux couches i d'espacement AlxGa1-xAs chacune 1- 3 nm d'épaisseur, situés par paires de part et d'autre de la couche canal elle-même, deux groupes de couches barrières AlxGa1 -xAs, chacune en formulaire i-p-i systèmes de couches barrières, dont l'une est située d'un côté du groupe de couches conductrices - substrat, l'autre - du côté opposé - grille, avec des couches barrières dans chacune système i-pi avoir une épaisseur de (100-200, 4-15, 2-10) nm dans le substrat, (2-10, 4-10, 4-15) nm dans la grille, respectivement, le niveau de dopage avec l'impureté accepteur est (4-20) × 1018 cm- 2, respectivement, une couche barrière d'i-GaAs d'une épaisseur de 5-30 nm, une couche de contact ohmique n+-GaAs d'une épaisseur de (10-60) nm de source et électrodes de drain, tandis que l'électrode de grille est réalisée avec une longueur ne dépassant pas 0,5 μm.
L'invention concerne la technologie électronique. Hétérostructure semi-conductrice destinée à un transistor à effet de champ micro-ondes de haute puissance contient, sur un substrat d'arséniure de gallium semi-isolant monocristallin, une séquence de couches semi-conductrices, chacune ayant des propriétés fonctionnelles spécifiées et caractéristiques techniques- épaisseur des couches, composition - qualitative et quantitative, concentration en impuretés d'alliage.
L'invention concerne la médecine expérimentale et peut être utilisée dans le diagnostic précoce et le traitement de tumeurs induites expérimentalement. Pour la détection précoce par IRM des tumeurs, des invasions et des métastases, l’animal reçoit des combinaisons de nanopréparations de contraste IRM négatives avec des agents de contraste IRM positifs.
L'invention concerne l'électronique micro-ondes. Dans un transistor à effet de champ hyperfréquence puissant basé sur une hétérostructure semi-conductrice, ladite hétérostructure est réalisée sous la forme d'une séquence des couches principales suivantes : au moins une couche tampon en GaAs d'une épaisseur d'au moins 200 nm, un groupe de couches conductrices couches formant le canal du transistor à effet de champ, faisant partie de la couche de canal réelle InyGa1-yAs d'une épaisseur de 12 à 20 nm et d'au moins deux couches δn dopées avec une impureté donneuse, et deux espaceurs AlxGa1-xAs i- couches, chacune de 1 à 3 nm d'épaisseur, deux groupes de couches barrières AlxGa1-xAs, dont l'une est située d'un côté du groupe conducteur couches - substrat, l'autre - du côté opposé - grille, tandis que le groupe substrat de barrière couches est réalisé sous la forme d'un système accepteur-donneur p-i-δn de couches barrières, le groupe de grilles de couches barrières est sous la forme d'un donneur-accepteur δ systèmes n-i-p couches barrières, tandis que dans chaque groupe de couches barrières, la couche i est réalisée avec une épaisseur de 0,5 à 10 nm, la couche p est réalisée avec un niveau de dopage qui fournit une hauteur de barrière potentielle de 0,4 à 0,8 de la bande interdite AlxGa1. -xAs, δn- la couche est réalisée avec un niveau de dopage excessif, fournissant une différence de densité surfacique des impuretés donneuses et acceptrices égale à (1-10)×1012 cm-2.
Des chercheurs de l’Université Columbia à New York ont inventé des muscles artificiels capables de soulever des charges des milliers de fois plus lourdes. propre poids. La technique de fabrication est si simple et les matériaux sont si accessibles que n’importe qui peut se lancer dans la construction de robots souples, surtout s’il possède une imprimante 3D.
Malgré ces succès retentissants, l’humanité est encore loin d’être de véritables « terminateurs ». Les algorithmes sont constamment améliorés, les machines deviennent plus intelligentes, à tel point que même Elon Musk commence à avoir peur de l'intelligence artificielle. Et si Théodore Kaczynski avait raison ? Mais le matériel évolue à un rythme beaucoup plus lent que le logiciel. Les actionneurs mécaniques, pneumatiques et hydrauliques sont trop complexes et souvent peu fiables, les matériaux à mémoire de forme sont coûteux et inefficaces, et les polymères électroactifs nécessitent des coûts énergétiques relativement élevés. Qu’est-ce qui propulsera les androïdes du futur ?
Le docteur ès sciences Aslan Miriyev, chercheur au laboratoire Creative Machines de l'Université de Columbia, a proposé sa propre version. L’idée est de fabriquer des muscles artificiels à partir d’élastomères de silicone saturés d’alcool ordinaire. L'alcool éthylique (mais pas nécessairement l'alcool éthylique) joue un rôle clé, car l'expansion et la contraction musculaire résultent du passage de microgouttelettes d'éthanol de la phase liquide à la phase gazeuse et vice versa. Ceci est obtenu par chauffage et refroidissement : l'évaporation de l'alcool emprisonné dans le silicone entraîne une augmentation de la pression et, par conséquent, une expansion de la structure élastomère.
La température requise est réglée par un élément chauffant électrique linéaire ou en spirale pénétrant dans le muscle. Lors de l'utilisation d'éthanol effet maximal obtenu par un chauffage prolongé juste au-dessus du point d'ébullition de 78,4°C. Le montant dépend de la composition du matériau utilisé, car le silicone résistera à l'expansion et plus la densité du matériau est élevée, plus la pression et le point d'ébullition de l'alcool sont élevés. Dans ses expériences, Aslan a choisi comme optimal un matériau contenant 20 % d’éthanol. Le mélange est préparé en mélangeant simplement du silicone et de l'éthanol dans les proportions requises jusqu'à ce que les microbulles d'alcool soient uniformément réparties. Le mélange peut ensuite être utilisé pour le moulage en moule ou la fabrication additive par robocasting, qui est une impression 3D par extrusion, mais sans chauffage. Par exemple, une extrudeuse de seringue. Au cours d'expériences, les muscles artificiels ont démontré leur capacité à augmenter de volume de 900 % et à résister à des charges répétées. Ainsi, un échantillon de six grammes a soulevé et abaissé une charge pesant environ six kilogrammes trente fois de suite, soit mille fois plus que la sienne ! Les chiffres maximaux sont encore plus élevés : un muscle de deux grammes pourrait supporter une charge de 12 kg, bien qu'à la limite de ses capacités.
Jusqu’ici tout va bien, mais les muscles sont censés se contracter et non se dilater ? C'est bon. Le vecteur de travail peut être spécifié par des coques qui restreignent l'expansion dans un plan donné. Par exemple, les biceps et les triceps de l’illustration ci-dessus sont enfermés dans un maillage de longueur fixe, attaché aux extrémités à l’épaule et à l’avant-bras. L’expansion diamétrale conduit à une contraction longitudinale, tout comme c’est le cas avec les vrais muscles. Cet exemple utilisait des muscles de 13 grammes capables de soulever jusqu'à un kilogramme de poids lorsqu'ils étaient chauffés par une bobine de fil nichrome 30 V 1,5 A. La flexion peut être réalisée à l'aide de couches « passives » de matériaux flexibles avec une résistance à la traction relativement élevée appliquées sur le côté « intérieur » de l'actionneur déformable, comme dans l'exemple avec la pince de l'illustration ci-dessous.
Le coût en laboratoire de la production de tels muscles par gramme ne dépassait pas trois cents. Pour imprimer des structures expérimentales à partir de thermoplastiques, des imprimantes 3D FDM de bureau Ultimaker, Ultimaker 2+ et Stratasys uPrint ont été utilisées, tandis que les muscles artificiels ont été imprimés directement sur une imprimante 3D maison à double extrudeuse équipée de têtes de seringue. Le rapport complet peut être consulté sur ce lien.
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