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 cinq fois, compte tenu de sa longueur initiale, et le poids qu'il peut soulever dépasse de 80 fois le sien.
Le but de ce développement est de fournir aux robots des caractéristiques de résistance étonnantes et en même temps d'assurer la présence de plastique comme chez l'homme.
Selon le Dr Adrian Koch, qui ce moment est le chef du programme, le matériau résultant a une structure similaire aux tissus musculaires des organismes vivants.
L'intérêt principal est que, malgré leur force, leur plasticité et leur souplesse, ces muscles artificiels répondent aux impulsions électriques de contrôle en quelques fractions de seconde, et c'est sans aucun doute un résultat colossal.
Ainsi, par exemple, pour le moment, aucune mécanique ou hydraulique ne peut fournir un tel effet. Comme le dit le chef du groupe, si les robots sont équipés de ces muscles artificiels à grande vitesse, il sera alors possible de se débarrasser des mouvements mécaniques des robots et de se rapprocher des indicateurs «plastiques» d'une personne ou de divers animaux. Avec tout cela, l'endurance, la force et la précision des mouvements doivent dépasser de nombreuses fois l'humain.
Ce matériau est un composite complexe, qui, à son tour, est constitué de divers polymères. En utilisant dans cette composition de matériaux des polymères élastiques capables de s'étirer 10 fois et des polymères pouvant supporter un poids de 500 fois le leur, ils ont permis d'obtenir des résultats aussi étonnants. Selon les scientifiques, les travaux de développement dureront plus d'un an, mais depuis plusieurs années, il est prévu de créer plusieurs types de membres pour les robots qui équiperont ce type de muscle artificiel. Il est intéressant de noter que le membre aura un poids et une taille deux fois inférieurs à ceux de l'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 prévoient 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. Et par conséquent, les scientifiques développent simultanément la conception d'un générateur électrique à base de matériaux polymères souples. Ce qui est intéressant ici, c'est le fait que, selon les plans, son poids sera d'environ 10 kilogrammes et qu'il sera capable de générer de l'électricité autant qu'un générateur traditionnel utilisé dans les éoliennes et pesant 1 tonne.
muscles artificiels bon parce qu'ils ne contiennent pas de pièces mobiles internes. C'est une autre alternative assez radicale aux moteurs électriques et pneumatiques avec hydraulique. Les conceptions qui existent 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, l'air comprimé est également utilisé, mais cela implique 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 design. Les muscles sont en silicone souple ordinaire, dans lequel des bulles d'alcool sont introduites à l'avance. Lorsqu'il est chauffé avec une spirale nichrome, l'alcool à l'intérieur commence à bouillir et le silicone gonfle fortement. Cependant, si vous mettez tout cela dans une tresse rigide avec un tissage perpendiculaire de fils, le gonflement se transformera en une contraction régulière - un peu comme le font les moteurs pneumatiques McKibben.
Parce que le silicone est un mauvais conducteur de chaleur, il est important de ne pas appliquer trop de puissance à la bobine ou le polymère commencera à fumer. Ceci, bien sûr, a l'air spectaculaire et n'interfère presque pas avec le travail, mais à la fin, cela peut provoquer un incendie. Une faible puissance n'est pas non plus bonne, car le temps de réduction peut alors être retardé. Dans tous les cas, un capteur thermique restrictif et un contrôleur PWM ne seront pas superflus dans la conception.
Méthodes
Les muscles en silicone sont étonnamment simples dans leur conception, et il n'y a que deux vrais problèmes lorsque vous travaillez avec eux : choisir la puissance et créer des moules suffisamment confortables pour verser.
Les moules de coulée sont commodément fabriqués à partir de feuilles de plastique transparentes. Gardez simplement à l'esprit que le mécanisme de fixation de l'hélice à l'intérieur du polymère doit être pensé à l'avance : il sera trop tard après le versement.
et matériaux
Le silicone souple pour la construction musculaire peut être acheté dans les magasins de fournitures artistiques. La tresse du bon tissage est généralement utilisée pour organiser et faire passer les câbles, et doit être recherchée auprès des électriciens. Les plus grandes difficultés surviennent avec l'éthanol à 96 %, qui est plus difficile à acheter en Russie qu'un réservoir. Cependant, il est tout à fait possible de le remplacer par de l'isopropanol.
Popular Mechanics tient à remercier Skeleton Shop pour son aide au tournage.Les gros muscles sont le résultat d'années d'entraînement intensif et de litres de sueur versés. Mais il y a des gens qui croient qu'ils peuvent obtenir le même look que les athlètes professionnels, mais beaucoup plus rapidement et plus facilement. C'est en effet 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'augmenter non seulement la poitrine et les lèvres, mais également toute autre partie du corps. Et maintenant, non seulement les femmes, mais aussi les hommes s'insèrent activement des implants en silicone pour avoir l'air plus attrayants.
Il existe deux façons d'implanter l'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 sous eux, après quoi le tissu musculaire est recousu. Une telle opération est très compliquée 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.
L'implantation est un risque énorme, car le corps peut tout simplement ne pas l'accepter ou réagir par une réaction allergique grave. Les conséquences d'un endommagement de l'implant peuvent être encore pires - vous pouvez généralement perdre la partie du corps où le muscle artificiel a été implanté.
Justin Jedlica, Silicon Ken
L'exemple le plus célèbre de chirurgie plastique masculine est peut-être L'Américain Justin Jedlica, alias Silicon Ken. Obsédé par l'idée d'être comme un ami d'une poupée Barbie, il a subi environ 90 chirurgie plastique valeur totale de plus de 100 mille dollars. Bien sûr, le visage du gars a subi le plus de changements, cependant, les chirurgiens ont fait de leur mieux sur le corps de secours, insérant des implants en silicone dans la poitrine, les bras, les épaules et le ventre de Justin.
Faire monter
Oui, oui, le push-up masculin existe aussi. Il se porte sous un T-shirt, s'attache dans le dos et imite une poitrine et des abdominaux en relief. Un simple substitut musculaire a été inventé au Japon et en Asie, il a rapidement gagné en popularité.
Synthol
Alors que les hommes se tournent rarement vers la chirurgie plastique, des méthodes chimiques encore plus dangereuses d'augmentation musculaire artificielle sont malheureusement utilisées beaucoup plus souvent. Le médicament le plus célèbre est le synthol, inventé dans les années 1990 et rapidement devenu tristement célèbre. Synthol 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.
Synthol est excrété par le corps pendant très longtemps - jusqu'à 5 ans. De plus, il a énormément Effets secondaires, dont beaucoup sont extrêmement dangereux et menacent les athlètes de graves conséquences, voire la mort. Ainsi, l'huile pénétrant dans la circulation sanguine peut provoquer une embolie graisseuse, qui à son tour menace une crise cardiaque ou un accident vasculaire cérébral. D'autres problèmes possibles comprennent diverses infections, des lésions nerveuses, des kystes et des ulcères.
Internet regorge de nombreux exemples de "victimes" du synthol, et les légendes de la musculation s'opposent activement à de telles méthodes d'augmentation musculaire. « Mon attitude vis-à-vis du synthol est la même que pour tous les implants. Il s'agit d'une tentative d'améliorer le physique avec des méthodes cosmétiques, en évitant le travail acharné qui fait de la musculation un vrai sport », a déclaré à six reprises M. Olympia Dorian Yates.
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, alors 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. Le muscle est cousu avec un ou plusieurs fils d'au moins un composé intermétallique à mémoire de forme et de 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'action d'impulsions électriques, notamment avec une densité de courant jusqu'à 20 mA/cm 2 , à exclure la possibilité d'une contraction incontrôlée sous l'influence des température et en conférant au muscle artificiel la propriété d'auto-guérison. 10 z.p. f-ly, 2 onglet.
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 d'une fibre musculaire vivante, à travers laquelle 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, cependant, un certain nombre de problèmes se posent dans la manière d'utiliser chacun d'eux, concernant le coût des matériaux et l'utilisation limitée.
On connaît un muscle artificiel hydraulique comprenant un premier connecteur à extrémité fermée, un tube de caoutchouc élastique, des fils de fibres tissés à haute résistance enroulés autour dudit tube, un deuxième connecteur à extrémité fermée par laquelle l'eau pénètre dans le tube, deux pinces annulaires situées le long des bords du muscle, deux pinces annulaires situées dans la partie médiane du muscle, et deux attaches en forme de cône tournées vers l'intérieur du muscle (CN 103395072 A, A61F 2/50, 20/11/2013 ). Le muscle décrit a une applicabilité très limitée : son utilisation n'est possible qu'en robotique basée sur des systèmes hydrauliques.
On connaît les tissus musculaires artificiels, qui sont des nanotubes de carbone imprégnés de cire et torsadés en spirale (revue Sciense, volume 338, pages 928-932, 16/11/2012).
Le tissu musculaire artificiel décrit est capable de soulever un poids qui dépasse cent mille fois le sien, mais il a un coût très élevé et, en même temps, est très sensible aux facteurs environnementaux : les changements de température ou les micro-courants peuvent entraîner son involontaire contraction.
L'analogue le plus proche du muscle artificiel revendiqué est une 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 plusieurs inconvénients. En plus de 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 prothèses de membre, il devient nécessaire d'utiliser des amplificateurs et des convertisseurs d'un signal électrique en un signal thermique, ce qui, à son tour, nécessite l'utilisation de sources d'alimentation (piles, accumulateurs). La 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 lors de l'utilisation.
L'objectif de l'invention proposée est de créer un muscle artificiel inoffensif et peu coûteux capable de recevoir des influx nerveux ou des influx similaires à ceux-ci.
Le résultat technique de l'invention proposée est de fournir un temps de réponse court et la possibilité d'une contraction rapide sous l'action d'impulsions électriques, en particulier, avec une densité de courant allant jusqu'à 20 mA/cm 2, à l'exclusion de la possibilité d'une contraction incontrôlée contraction sous l'influence de la température ambiante et conférant au muscle artificiel la propriété d'auto-guérison.
Le résultat technique est obtenu du fait que le muscle artificiel proposé contenant des fibres de nylon et/ou de polyéthylène, bien qu'il soit constitué d'au moins un polyorganosiloxane, d'au moins une résine époxy et d'au moins un catalyseur de polymérisation époxy, et que le muscle est cousu avec un ou plusieurs fils d'au moins un composé intermétallique à mémoire de forme et de fibre de nylon et/ou de polyéthylène.
L'intermétallique à mémoire de forme peut être choisi dans le groupe : Ti-Ni, Zr-Ni, Fe-Mn-Si et alliage Heusler. L'effet de 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 le plus étudié, Zr-Ni a une réponse élevée aux impulsions électriques.
Pour un renforcement supplémentaire, donnant au muscle des mouvements plus lisses et plus simples, il peut également être cousu avec des fils d'élastomère.
Pour augmenter l'amplitude de contraction du muscle artificiel sous l'action d'une impulsion électrique, il est souhaitable que la fibre de nylon et/ou de polyéthylène soit torsadée en spirale.
Afin d'augmenter la réponse du muscle à l'impulsion de courant et de conférer une précision de mouvement, il est souhaitable qu'un ou plusieurs brins d'au moins un composé intermétallique à mémoire de forme soient torsadés en spirale.
Afin d'augmenter encore la vitesse de contraction du muscle artificiel, de lisser le début et la fin de sa contraction sous l'action d'une impulsion électrique, et également de réduire les frottements internes, il est souhaitable qu'un ou plusieurs fils d'au moins un intermétallique à mémoire de forme le composé doit être torsadé avec une spirale de fibres de nylon et / ou de polyéthylène les unes autour des autres.
Pour améliorer l'adhérence, un ou plusieurs brins d'au moins un composé intermétallique à mémoire de forme et de fibre de nylon et/ou de polyéthylène peuvent être associés à un milieu d'au moins un polyorganosiloxane par collage ou chauffage à haute température suivi d'un refroidissement.
En tant que catalyseur pour la polymérisation de la résine époxy, le catalyseur de Grubbs, qui est le plus accessible et le plus répandu, peut être utilisé.
Pour un renforcement supplémentaire, en augmentant le taux de contraction sous l'action du courant et en améliorant la sensibilité aux faibles impulsions de courant, le muscle artificiel peut en outre être cousu avec des fibres de nanotubes de carbone.
Dans le cas d'un contact entre plusieurs muscles artificiels, afin de 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 suivant en composants, wt. % :
Les polyorganosiliciums présentent un certain nombre d'avantages par rapport aux autres imitateurs de tissus vivants. Les produits fabriqués à partir d'eux 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 maintenir les spécifications apparence, et également en cohérence, ils sont proches des tissus biologiques, tels que les muscles naturels.
Il existe un certain nombre de matériaux à mémoire de forme, pour lesquels l'effet d'auto-guérison 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 par atome de titane. Si le 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, il est également possible de restaurer la forme du produit en y faisant passer du courant. Si le produit est un fil fin, cela peut être fait même avec un petit courant, par exemple jusqu'à 20 mA/cm2 qui circule à travers les 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 les grains migrent aux limites des zones défectueuses, c'est-à-dire que les défauts métalliques acquièrent des champs de contraintes avec des charges si intenses que les bords de la fissure se rapprochent et le composé intermétallique endommagé est régénéré.
Il a été découvert que certains autres composés intermétalliques à base de nickel, dans lesquels le deuxième composant sous sa forme pure a un réseau cubique hexagonal compact ou centré, peuvent avoir une propriété similaire. De tels 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, cependant, 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 par 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 très probablement dû à la conductivité thermique du deuxième composant : la conductivité thermique du zirconium à 300 K est de 22,7 W/(m K) et celle du titane est de 21,9 W/(m K).
On connaît la manifestation de la mémoire de forme sous l'influence d'un champ magnétique dans un composé intermétallique appelé alliage Heusler et ayant 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 causée par la transition de phase martensitique et peut également être fournie par des impulsions électriques qui modifient le champ magnétique de l'alliage Heusler.
En plus de ce qui précède, également connu composé intermétallique à mémoire de forme - Fe-Mn-Si, qui se caractérise par un faible coût.
D'autres matériaux à mémoire de forme sont également connus, comme 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 flashé avec des fils d'au moins un composé intermétallique à mémoire de forme, tandis que l'épaisseur des fils doit être choisie en fonction de l'amplitude des signaux entrants. Évidemment, pour la perception des petites impulsions nerveuses, l'épaisseur des fils doit être petite - environ 0,02-0,5 mm. Pour la perception des 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, le polyorganosiloxane) conduit à la sensibilité du composé intermétallique à la température ambiante et donc à son mouvement devient incontrôlable.
Il existe des matériaux qui peuvent rapidement rétrécir sous l'effet de la chaleur. Ce sont des fibres de polyéthylène et de nylon, qui se caractérisent par un faible coût, une résistance élevée et une résistance à l'usure. Cependant, leur utilisation comme muscles artificiels sans fils intermétalliques à mémoire de forme pose un certain nombre de problèmes. En raison de la faible conductivité électrique des fibres, de faibles impulsions de courant ne peuvent pas activer ces muscles sans dispositifs électroniques supplémentaires. Cependant, dans le cas d'un impact synchrone d'une impulsion à la fois sur des fils intermétalliques à mémoire de forme et sur des fibres de nylon et/ou de polyéthylène, les muscles deviennent capables de se contracter avec une amplitude et une vitesse importantes après un certain nombre d'impulsions répétées. Cela est dû à une réaction en chaîne : la première impulsion entraîne une légère contraction de la fibre, ce qui provoque une légère compression du composé intermétallique, avec lequel elle se trouve dans le même système, relié par un milieu polyorganosiloxane, la deuxième impulsion déjà directement comprime le composé intermétallique, qui a rappelé sa position précédente à un courant avec certaines caractéristiques (force, fréquence), en relation avec laquelle la fibre est réduite avec une plus grande amplitude. Avec la troisième impulsion et les suivantes, le muscle artificiel commence à travailler avec grande vitesse et l'amplitude des mouvements. Ainsi, un muscle artificiel ne peut fonctionner pleinement que lorsqu'une impulsion électrique est appliquée à la fois à la fibre et aux filaments intermétalliques.
Coudre le muscle artificiel avec des fils d'élastomère le renforcera en plus et permettra de plus en plus lisse mouvements fluides tout en conservant d'autres paramètres. En tant qu'élastomère, il est permis d'utiliser divers caoutchoucs et caoutchoucs, de préférence avec une élasticité et une résistance à la déchirure élevées.
La présence d'une résine époxy dans la composition d'un muscle artificiel, ainsi que d'un catalyseur pour sa polymérisation, par exemple le catalyseur de Grubbs le plus accessible, permettra au muscle de récupérer en peu de temps en cas de dommages, tels que mécaniques, chimiques ou thermiques.
Lorsqu'elle est chauffée sous forme expansée, la fibre de nylon ne peut rétrécir que de 4/100, le polyéthylène - de 3/1000. Cependant, dans le cas de la torsion de ces fibres en spirale, le nylon acquiert la capacité de se comprimer 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 second cas il se contracte à la fois du fait d'une augmentation de son épaisseur et du fait d'une contraction de la spirale. Les valeurs ci-dessus sont proches de la capacité à réduire le naturel fibre musculaire et peuvent permettre à leur homologue de soulever une charge de masse importante.
Dans le cas où 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 termes de vitesse, de degré de contraction et de rectitude des mouvements, c'est-à-dire qu'il y a pas de vibrations perpendiculaires à l'axe de passage des spirales de fils intermétalliques. Le taux et le degré de réduction des composés intermétalliques s'expliquent par un effet similaire à celui des fibres de nylon et de polyéthylène. L'absence d'oscillations perpendiculaires s'explique comme suit. Le mouvement d'un intermétallique sous la forme d'un filament redressé est plus difficile à prévoir car il est déterminé par la mémoire de la structure cristalline du métal uniquement sur la section transversale d'un filament mince. 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. Dans le même temps, le mouvement d'un composé intermétallique sous la forme d'un fil torsadé en spirale sera déterminé par la mémoire de la structure cristalline du métal sur toute la section de l'hélice, ce qui contribue à la stabilisation et à la rectitude de mouvements.
Si les filaments des intermétalliques à mémoire de forme sont torsadés avec la fibre en spirale les uns autour des autres, cela se traduira par une série effets positifs, à savoir : à un début et une fin plus doux de la contraction musculaire artificielle sous l'action 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 à une impulsion de courant répondent au courant avec vitesse différente(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 le frottement à l'intérieur du matériau et, par conséquent, réduira son usure.
De plus, il convient de noter que la couture de fils intermétalliques et de fibres 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 cela fonctionne avec une efficacité maximale.
Pour améliorer encore l'adhérence, ce qui est plus souhaitable si le fil est dans un état redressé, il peut être combiné avec une base de polyorganosiloxane, par exemple, par collage ou chauffage à haute température suivi d'un refroidissement. Dans ce dernier cas, le polyorganosiloxane se ramollit d'abord et fusionne avec le fil lors d'un refroidissement supplémentaire.
Le collage se fait de préférence avec une 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 nanotube de carbone, qui se contracte également sous l'action d'impulsions électriques et en même temps a des propriétés de résistance élevée, répond aux impulsions à grande vitesse et a une bonne sensibilité au courant faible. Ainsi, sa présence peut quelque peu améliorer la force et l'amplitude de la contraction musculaire, mais le coût de cette dernière dans ce cas augmentera.
De plus, compte tenu, bien que moindre, mais toujours assez élevé, du coût des composés intermétalliques, en particulier du Ni-Ti, pour réduire le coût d'un muscle artificiel avec une légère perte de force et de rapidité de réponse aux impulsions électriques, il est préférable d'utiliser un muscle de la composition suivante, wt. % :
Le muscle artificiel proposé peut être utilisé comme partie intégrante des membres bioniques et servir d'implant indépendant qui remplace un 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 d'un muscle vivant, son analogue artificiel peut également être collé à un muscle vivant endommagé, cependant, dans une telle situation, il existe une forte probabilité de non-prise de greffe. Des facteurs tels que la contraction, la respiration tissulaire 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 de coller le muscle artificiel proposé à l'os plutôt que de le tissu musculaire. Ainsi, un muscle vivant endommagé peut être complètement remplacé par un muscle artificiel, cependant, il est très problématique à ce stade d'en restaurer une section distincte à l'aide d'un analogue artificiel.
Cinq éprouvettes cylindriques de 40 x 7 mm ont été réalisées. Dans un premier temps, le polyorganosiloxane, la résine époxy et son catalyseur de polymérisation ont été mélangés, et le mélange a été réalisé en deux étapes. Lors de la première étape, à la température de sa fusion dans le polyorganosiloxane, en l'agitant doucement dans le sens des aiguilles d'une montre, une petite quantité de durcisseur polyorganosiloxane, le peroxyde de benzoyle, a été ajoutée. 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, à la deuxième étape, un catalyseur de polymérisation époxy y a été introduit.
Une agitation uniforme dans un sens du polyorganosiloxane épaississant progressivement et l'introduction successive 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 largement insensible. Parallèlement, étant donné que la résine a été introduite dans un milieu moins épais, sa distribution dans le muscle artificiel est plus étendue que celle du catalyseur de polymérisation.
Le mélange presque congelé a été chargé dans un moule cylindrique, refroidi à une température de 65 ° C, cousu à travers celui-ci le long de l'axe du cylindre avec des filaments intermétalliques, des filaments 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 y a eu son durcissement supplémentaire et une forte fixation des fils dans le milieu, et retiré du moule. Le firmware a été réalisé 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 filament intermétallique, fibre de nylon et/ou polyéthylène et fibre de nanotube de carbone.
La partie supérieure de l'échantillon avec des fils insérés à l'intérieur était fixée dans un anneau métallique compressif et des fils en polymère conducteur étaient connectés à une source d'alimentation.
Un fil de nylon d'un poids suspendu de 250 g a été passé dans la partie inférieure de l'échantillon.
Ensuite, le courant a été appliqué à l'échantillon selon le régime 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 étaient mesuré. Les deux premières impulsions n'ont pas été prises en compte, car les composés intermétalliques n'ont pas encore "mémorisé" le mouvement-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 la vitesse et le degré de contraction du muscle artificiel ont également été mesurés.
Ces paramètres ont également été mesurés avec une alimentation simultanée en courant et en chauffage thermique.
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 réponses du muscle artificiel aux impulsions de courant, à la température ambiante et aux dommages sont présentés dans le tableau 2.
Selon les données obtenues, le muscle bionique proposé a un temps de réponse insignifiant, il est capable de se contracter sous l'action 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.
De plus, le muscle proposé a la propriété de s'auto-guérir en peu de temps, et lorsqu'un signal de courant est appliqué, la vitesse et le degré de récupération augmentent. La vitesse de la réponse musculaire aux impulsions de courant est influencée par des paramètres tels que la fréquence du courant, ainsi que la géométrie de l'emplacement des filaments et fibres intermétalliques, s'ils sont tordus en spirale et, plus encore, si ils sont tordus en spirale les uns autour des autres, puis la vitesse de la réaction musculaire augmentera .
En présence de fils d'élastomère, toutes les caractéristiques ci-dessus du muscle restent approximativement les mêmes, mais ses mouvements deviennent plus fluides.
La fibre de nanotube de carbone a peu d'effet sur la vitesse de réponse, la force et le taux de contraction. Par conséquent, sa présence n'est pas obligatoire et il peut être injecté dans le muscle, en se concentrant sur le coût.
Compte tenu du fait que le muscle artificiel proposé est capable d'atteindre le résultat technique revendiqué, on peut estimer que les problèmes myologiques liés à l'implantation ont été résolus. Dans le même temps, il reste une question du côté de la neurologie, à savoir concernant la fourniture d'un signal de courant du nerf aux muscles (y compris via un nerf artificiel).
Depuis presque tous substances chimiques, qui font partie du muscle artificiel proposé, sont peu coûteux et que le composant le plus précieux, le nitinol, ne nécessite pas de dépenses importantes, l'invention revendiquée, en raison de son coût relativement faible, peut également être largement utilisée en robotique et en génie mécanique, pour 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 constitué d'au moins un polyorganosiloxane, d'au moins une résine époxy et d'au moins un catalyseur de polymérisation époxy, et le muscle est cousu avec un ou plusieurs fils d'au moins au moins un composé intermétallique à mémoire de forme et une fibre 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 de Grubbs est utilisé comme catalyseur de polymérisation de la résine époxy.
9. Muscle artificiel selon l'une des revendications 1 à 9, 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 a la teneur suivante en composants, wt. % :
Brevets similaires :
L'invention concerne l'électronique hyperfréquence. Dans un transistor hyperfréquence à effet de champ de forte puissance sur une hétérostructure semi-conductrice, ladite hétérostructure semi-conductrice est réalisée sous la forme d'un enchaînement des couches principales suivantes, au moins une couche tampon en GaAs d'une épaisseur d'au moins 200 nm, un groupe de couches conductrices qui forment le canal du transistor à effet de champ, faisant partie de la couche de canal InyGa1-yAs elle-même avec une épaisseur de 12-18 nm et au moins deux couches δn dopées avec une impureté donneuse et deux couches i d'espacement d'AlxGa1-xAs d'une épaisseur de 1 à 3 nm chacun, situés par paires des deux côtés de la couche de canal elle-même, deux groupes de couches barrières d'AlxGa1 -xAs, chacune dans je-p-je systèmes de couches barrières, dont l'une est située d'un côté du groupe de couches conductrices - substrat, l'autre - du côté opposé - grille, tandis que les couches barrières de chacune système i-p-i ont 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 une impureté acceptrice est (4-20) × 1018 cm-2, respectivement, une couche barrière i-GaAs de 5-30 nm d'épaisseur, une couche de contact ohmique n+-GaAs (10-60) nm d'épaisseur des électrodes de source et de drain, tandis que l'électrode de grille est faite avec une longueur ne dépassant pas 0,5 μm.
L'invention concerne l'ingénierie électronique. Une hétérostructure semi-conductrice pour un transistor à effet de champ hyperfréquence de grande puissance contient, sur un substrat d'arséniure de gallium monocristallin semi-isolant, une séquence de couches semi-conductrices, chacune ayant des propriétés fonctionnelles spécifiées et spécifications techniques- épaisseur de couche, composition - qualitative et quantitative, concentration en dopant.
L'invention concerne la médecine expérimentale et peut être utilisée dans le diagnostic précoce et le traitement de tumeurs induites dans l'expérience. Pour la détection précoce par IRM des tumeurs, des invasions et des métastases, des combinaisons de nanopréparations de contraste IRM négatives avec des agents de contraste IRM positifs sont administrées à l'animal.
L'invention concerne l'électronique hyperfréquence. Dans un transistor à effet de champ hyperfréquence de forte puissance à base d'hétérostructure semi-conductrice, ladite hétérostructure est réalisée sous la forme d'un enchaînement des couches principales suivantes : au moins une couche tampon en GaAs d'une épaisseur d'au moins 200 nm, un groupe de couches conductrices qui forment le canal du transistor à effet de champ, faisant partie de la couche de canal InyGa1-yAs proprement dite avec une épaisseur de 12 -20 nm et 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 barrière AlxGa1-xAs, dont l'une est située d'un côté du groupe de couches conductrices - substrat, l'autre - du côté opposé - grille, tandis que le groupe de substrat de couches barrières est réalisé sous la forme d'un système accepteur-donneur p-i-δn de couches barrières, le groupe grille 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 barrières de potentiel de 0,4 à 0,8 de l'AlxGa1- xEn bande interdite, δn- la couche est réalisée avec un niveau de dopage en excès, procurant une différence de densité surfacique des impuretés donneuses et acceptrices égale à (1-10) x 1012 cm-2.
Des chercheurs de l'Université de Columbia à New York ont inventé des muscles artificiels capables de soulever des milliers de fois leur propre poids. La technique de fabrication est si simple et les matériaux sont si abordables que n'importe qui peut commencer à concevoir de la robotique douce, surtout si une imprimante 3D est disponible.
Malgré les succès fulgurants, l'humanité est encore loin d'être de véritables "terminators". Les algorithmes s'améliorent constamment, les machines deviennent plus intelligentes - à tel point que même Elon Musk commence à avoir peur de l'intelligence artificielle. Et si Teodor Kaczynski avait raison ? Mais le matériel se développe 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. Comment mettre en mouvement les androïdes du futur ?
Aslan Miriyev, Ph.D., chercheur au Creative Machines Laboratory 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 à boire ordinaire. L'alcool éthylique (mais pas nécessairement l'alcool éthylique) joue un rôle clé, car l'expansion et la contraction musculaires se produisent à la suite du passage des microgouttelettes d'éthanol d'une phase liquide à une phase gazeuse et vice versa. Ceci est réalisé par chauffage et refroidissement : l'évaporation de l'alcool emprisonné dans le silicone entraîne une montée en pression et, par conséquent, l'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 obtenue par chauffage prolongé juste au-dessus du point d'ébullition de 78,4°C. La quantité la plus élevée dépend de la composition du matériau utilisé, car le silicone résistera à la dilatation 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 opté pour un matériau avec une teneur en éthanol de 20%, comme étant le matériau optimal. Un mélange est réalisé 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, c'est-à-dire l'impression 3D par extrusion, mais sans chauffage. Par exemple, une extrudeuse de seringue. Au cours des expériences, les muscles artificiels ont démontré leur capacité à augmenter leur volume de 900 % et à supporter des charges répétées. Ainsi, un échantillon de six grammes a soulevé et abaissé une charge d'environ six kilogrammes trente fois de suite, soit mille fois plus que la sienne ! La performance maximale est encore plus élevée : un muscle de deux grammes a maîtrisé 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, pas se dilater ? C'est bon. Le vecteur de travail peut être défini par des coques contenant l'expansion dans un plan donné. Par exemple, les biceps et les triceps de l'illustration ci-dessus sont enfermés dans une maille de longueur fixe attachée aux extrémités au bras et à l'avant-bras. L'expansion diamétrale conduit à une contraction longitudinale, comme cela se produit avec de vrais muscles. Dans cet exemple, des muscles de 13 grammes ont été utilisés, capables de soulever jusqu'à un kilogramme de poids lorsqu'ils sont chauffés avec un élément en spirale de fil nichrome de 30 V avec un courant de 1,5 A. La flexion peut également être contrôlée par des couches "passives" de matériaux flexibles à résistance à la traction relativement élevée appliquées sur le côté "intérieur" de l'actionneur déformable, comme dans l'exemple de préhension de l'illustration ci-dessous.
Le coût en laboratoire de la fabrication de tels muscles par gramme ne dépassait pas trois cents. Des structures thermoplastiques expérimentales ont été imprimées à l'aide d'imprimantes 3D FDM de bureau Ultimaker, Ultimaker 2+ et Stratasys uPrint, tandis que l'impression directe de muscles artificiels a été réalisée sur une imprimante 3D à double extrudeuse maison équipée de têtes de seringue. Le rapport complet est disponible sur ce lien.
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