Para ilmuwan dari Universitas Nasional Singapura telah menciptakan otot buatan jenis baru, yang kinerjanya membuat rekan-rekan terkesan. Faktanya adalah otot jenis baru ini dapat meregang hingga lima kali panjang aslinya, dan beban yang dapat diangkatnya adalah 80 kali lipat dari beratnya sendiri.
Tujuan dari pengembangan ini adalah untuk membekali robot dengan karakteristik kekuatan yang luar biasa dan sekaligus memastikan adanya plastisitas seperti manusia.
Menurut Dr Adrian Koch, siapa saat ini adalah ketua program, bahan yang dihasilkan memiliki struktur yang mirip dengan jaringan otot organisme hidup.
Minat utamanya adalah, terlepas dari kekuatan, plastisitas, dan fleksibilitasnya, otot-otot buatan ini merespons impuls kontrol listrik dalam sepersekian detik, dan ini tidak diragukan lagi merupakan hasil yang sangat besar.
Misalnya, saat ini, tidak ada mekanik atau hidrolika yang dapat memberikan efek seperti itu. Seperti yang dikatakan ketua kelompok, jika Anda melengkapi robot dengan otot buatan yang bekerja cepat ini, maka akan dimungkinkan untuk menghilangkan gerakan mekanis robot dan mendekati indikator “plastik” manusia atau berbagai hewan. Dengan semua itu, daya tahan, kekuatan dan ketepatan gerakan harus melebihi manusia berkali-kali lipat.
Bahan ini merupakan komposit kompleks, yang terdiri dari berbagai polimer. Penggunaan polimer elastis dalam komposisi bahan ini dengan kemampuan meregang 10 kali lipat dan polimer yang mampu menahan beban 500 kali lebih besar dari miliknya, memungkinkan kami mencapai hasil yang luar biasa. Seperti yang dilaporkan para ilmuwan, pengerjaan pengembangan akan berlanjut selama lebih dari satu tahun, namun selama beberapa tahun direncanakan untuk membuat beberapa jenis anggota badan untuk robot yang akan dilengkapi dengan otot buatan jenis ini. Menariknya, anggota tubuh tersebut memiliki berat dan ukuran setengah dari anggota tubuh manusia, namun orang tersebut tidak memiliki banyak peluang untuk menang.
Terlepas dari kenyataan bahwa perkembangan ini adalah yang paling menarik bagi sekelompok ilmuwan di bidang ini, pada saat yang sama mereka berencana untuk menggunakan bahan yang diperoleh untuk tujuan lain. Misalnya material baru yang mampu mengubah energi mekanik menjadi energi listrik dan sebaliknya. Oleh karena itu, para ilmuwan secara bersamaan mengembangkan desain generator listrik berdasarkan bahan polimer lunak. Yang menarik di sini adalah kenyataan bahwa menurut rencana, beratnya akan menjadi sekitar 10 kilogram, dan akan mampu menghasilkan listrik sebanyak generator tradisional yang digunakan dalam turbin angin dengan berat 1 ton.
Otot buatan bagus karena tidak mengandung unsur penggerak internal. Ini adalah alternatif lain yang agak radikal untuk motor listrik dan pneumatik dengan hidrolika. Sampel yang ada saat ini adalah polimer yang peka terhadap tekanan atau suhu, atau paduan memori bentuk. Yang pertama memerlukan tegangan yang cukup tinggi, sedangkan yang kedua memiliki jangkauan gerak yang terbatas dan juga sangat mahal. Untuk membuat robot lunak juga digunakan udara bertekanan, namun hal ini memerlukan keberadaan pompa dan mempersulit desain. Untuk membuat otot buatan, kami beralih ke resep ilmuwan dari Universitas Columbia, yang berhasil menggabungkan kekuatan tinggi, ringan, elastisitas, dan kesederhanaan luar biasa dalam satu desain. Otot-ototnya adalah silikon lembut biasa, di mana gelembung alkohol disuntikkan terlebih dahulu. Ketika dipanaskan dengan spiral nichrome, alkohol di dalamnya mulai mendidih, dan silikon membengkak. Namun, jika Anda memasukkan semua ini ke dalam jalinan kaku dengan jalinan benang tegak lurus, maka pembengkakan akan berubah menjadi kontraksi normal - mirip dengan cara kerja motor udara McKibben.
Karena silikon tidak menghantarkan panas dengan baik, penting untuk tidak memberikan terlalu banyak daya pada kumparan, jika tidak polimer akan mulai berasap. Hal ini tentu saja terlihat mengesankan dan hampir tidak mengganggu pekerjaan, namun pada akhirnya dapat menimbulkan kebakaran. Daya rendah juga tidak baik, karena waktu reduksi mungkin tertunda. Bagaimanapun, sensor termal pembatas dan pengontrol PWM tidak akan berlebihan dalam desain.
Metode
Otot silikon ternyata sangat sederhana dalam desain, dan saat mengerjakannya, Anda sebenarnya hanya menghadapi dua masalah: memilih tenaga dan membuat cetakan yang cukup nyaman untuk dituang.
Lebih mudah membuat cetakan isian dari lembaran plastik transparan. Perlu diingat bahwa mekanisme pemasangan spiral di dalam polimer harus dipikirkan terlebih dahulu: setelah dituang akan terlambat.
Dan bahan
Silikon lembut untuk membentuk otot dapat dibeli di toko perlengkapan seni. Jalinan tenunan yang diperlukan biasanya digunakan untuk mengatur dan memasang kabel; Anda harus mencarinya dari tukang listrik. Kesulitan terbesar timbul pada etanol 96 persen, yang lebih sulit dibeli di Rusia dibandingkan dalam tangki. Namun bisa diganti dengan isopropanol.
Mekanik Populer mengucapkan terima kasih kepada Skeleton Shop atas bantuannya dalam pembuatan film.Otot besar adalah hasil latihan keras bertahun-tahun dan bergalon keringat. Namun ada orang yang percaya bahwa mereka bisa mendapatkan penampilan yang sama seperti atlet profesional, namun jauh lebih cepat dan mudah. Ini sangat mungkin, satu-satunya pertanyaan adalah berapa biayanya?
Otot silikon
Cara pertama mendapatkan otot besar tanpa berkunjung gimnasium- menjalani operasi bedah. Pembedahan modern telah mencapai titik di mana pembesaran tidak hanya dapat dilakukan pada payudara dan bibir, tetapi juga pada bagian tubuh lainnya. Dan kini tak hanya wanita, pria juga aktif memasang implan silikon ke dalam dirinya agar tampil lebih menarik.
Ada dua cara memasang implan - di atas otot dan di bawah otot. Pilihan pertama lebih sederhana, lebih murah dan tidak menimbulkan trauma, tetapi masalahnya adalah otot seperti itu akan terlihat tidak alami dan lembut saat disentuh. Dalam kasus kedua, otot-otot yang ada dibuka dan implan didorong ke bawahnya, setelah itu jaringan otot dijahit kembali. Operasi semacam itu sangat rumit dan berbahaya, dan pemulihan setelahnya akan memakan waktu berbulan-bulan, tetapi hasilnya akan lebih baik - keberadaan implan tidak akan terlihat dan otot akan mempertahankan kekerasan bawaannya.
Mendapatkan implan memiliki risiko yang sangat besar, karena tubuh mungkin tidak menerimanya atau merespons dengan reaksi alergi yang serius. Akibat kerusakan implan bisa lebih buruk lagi - Anda bahkan bisa kehilangan bagian tubuh tempat otot buatan ditanamkan.
Justin Jedlica, Silikon Ken
Mungkin contoh operasi plastik pria yang paling terkenal adalah Justin Jedlica dari Amerika, alias Silicone Ken. Terobsesi dengan gagasan menjadi seperti teman boneka Barbie, dia menderita sekitar 90 tahun operasi plastik dengan nilai total lebih dari 100 ribu dolar. Wajah pria itu, tentu saja, mengalami perubahan paling besar, namun ahli bedah juga menangani pahatan tubuhnya, memasukkan implan silikon ke dada, lengan, bahu, dan perut Justin.
push-up
Ya, push-up pria juga ada. Dikenakan di bawah T-shirt, diikat di bagian belakang dan meniru pahatan dada dan perut. Pengganti otot sederhana ditemukan di Jepang, dan dengan cepat mendapatkan popularitas di Asia.
Sintol
Jika pria jarang beralih ke operasi plastik, sayangnya, metode kimia yang lebih berbahaya untuk memperbesar otot secara artifisial lebih sering digunakan. Obat yang paling terkenal adalah synthol, ditemukan pada tahun 1990an dan dengan cepat menjadi terkenal. Synthol tidak memiliki sifat anabolik; ia meningkatkan volume otot dengan menyerap minyak ke dalam serat otot. Artinya, otot tidak bertambah besar, hanya membengkak.
Synthol dikeluarkan dari tubuh untuk waktu yang sangat lama - hingga 5 tahun. Apalagi dia punya jumlah yang sangat besar efek samping, banyak di antaranya sangat berbahaya dan mengancam atlet dengan konsekuensi serius, termasuk kematian. Dengan demikian, masuknya minyak ke dalam darah bisa menyebabkan emboli lemak, yang pada akhirnya mengancam serangan jantung atau stroke. Masalah lain yang mungkin terjadi termasuk berbagai infeksi, kerusakan saraf, kista dan bisul.
Internet penuh dengan banyak contoh “korban” synthol, dan legenda binaraga secara aktif menentang metode pertumbuhan otot semacam itu. “Sikap saya terhadap synthol sama dengan semua implan. “Ini adalah upaya untuk memperbaiki fisik dengan metode kosmetik, menghindari kerja keras yang menjadikan binaraga sebagai olahraga nyata,” kata Mr Olympia Dorian Yates enam kali.
Invensi ini berkaitan dengan bidang prostetik bionik, yaitu otot buatan, yang merupakan material komposit yang terkena paparan lemah impuls listrik. Otot buatan mengandung serat nilon dan/atau polietilen, dan mewakili media dari setidaknya satu poliorganosiloksan, setidaknya satu resin epoksi dan setidaknya satu katalis polimerisasi resin epoksi. Otot dijahit dengan satu atau lebih benang dari setidaknya satu bentuk senyawa intermetalik memori dan serat nilon dan/atau polietilen. Hasil teknisnya adalah memberikan waktu respons yang singkat dan kemungkinan kontraksi yang cepat di bawah pengaruh impuls listrik, khususnya dengan rapat arus hingga 20 mA/cm 2, dalam menghilangkan kemungkinan kontraksi yang tidak terkendali di bawah pengaruh lingkungan. suhu dan dalam memberikan sifat penyembuhan diri otot buatan. 10 gaji file, 2 tabel.
Otot buatan
Invensi ini berkaitan dengan bidang prostetik bionik, yaitu otot buatan, yaitu bahan komposit yang mampu berkontraksi di bawah pengaruh impuls listrik yang lemah. Otot buatan dapat digunakan dalam pengobatan sebagai komponen anggota badan bionik atau sebagai implan independen, serta dalam robotika dalam produksi manipulator presisi tinggi.
Masalah dalam menciptakan bahan yang memiliki afinitas kimia dan sifat mekanik yang mirip dengan serat otot hidup, yang melaluinya pergerakan terjadi pada tubuh manusia atau hewan, telah diketahui secara luas. Saat ini telah dikembangkan beberapa jenis otot buatan, namun dalam cara pemanfaatannya masing-masing terdapat kendala berupa biaya bahan dan keterbatasan penggunaan.
Otot buatan hidrolik diketahui, termasuk konektor pertama dengan ujung tertutup, tabung karet elastis, benang tenun dari serat berkekuatan tinggi yang melilit tabung tersebut, konektor kedua dengan ujung tertutup tempat air masuk ke dalam tabung, dua cincin- klem berbentuk terletak di tepi otot, dua klem berbentuk cincin terletak di tengah otot, dan dua elemen pengikat berbentuk kerucut menghadap ke dalam otot (CN 103395072 A, A61F 2/50, 11/ 20/2013). Otot yang dijelaskan memiliki penerapan yang sangat terbatas: penggunaannya hanya mungkin dilakukan dalam robotika berdasarkan sistem hidrolik.
Jaringan otot tiruan telah dikenal, yaitu tabung nano karbon yang diresapi lilin dan dipelintir menjadi spiral (majalah Science, volume 338, halaman 928-932, 16 November 2012).
Jaringan otot buatan yang dijelaskan mampu mengangkat beban yang melebihi beratnya sendiri seratus ribu kali lipat, namun memiliki biaya yang sangat tinggi dan pada saat yang sama ditandai dengan peningkatan kepekaan terhadap faktor lingkungan: perubahan suhu atau arus mikro dapat menyebabkannya tanpa disengaja. kontraksi.
Analog terdekat dari otot buatan yang diklaim adalah serat nilon atau polietilen yang dipilin menjadi spiral (http://nauka21vek.ru/archives/56843, 26/02/2014).
Kelebihan serat ini adalah kemampuannya cepat menyusut bila dipanaskan, serta biayanya yang murah, namun di saat yang sama juga memiliki sejumlah kelemahan. Selain rentan terhadap panas, ia tidak dapat berkontraksi sepenuhnya di bawah pengaruh impuls listrik yang lemah, seperti impuls saraf. Dalam hal ini, untuk membuat kaki palsu, perlu menggunakan amplifier dan konverter sinyal listrik-ke-termal, yang pada gilirannya memerlukan penggunaan sumber daya (baterai, akumulator). Peningkatan sensitivitas serat terhadap suhu lingkungan dapat menyebabkan kontraksi otot yang tidak disengaja dan, akibatnya, pergerakan anggota tubuh palsu. Dalam hal ini, ada kebutuhan untuk menggunakan isolator panas. Kondisi di atas mempersulit desain dan biaya prostesis, serta menimbulkan ketidaknyamanan dalam penggunaan.
Tujuan dari penemuan yang diusulkan ini adalah untuk menciptakan otot buatan yang tidak berbahaya dan murah yang mampu menerima impuls saraf atau impuls serupa.
Hasil teknis dari penemuan yang diusulkan adalah untuk memberikan waktu respons yang singkat dan kemungkinan kontraksi yang cepat di bawah pengaruh impuls listrik, khususnya, dengan rapat arus hingga 20 mA/cm 2 , menghilangkan kemungkinan kontraksi yang tidak terkendali dalam kondisi pengaruh suhu lingkungan dan memberikan sifat penyembuhan diri pada otot buatan.
Hasil teknis dicapai karena fakta bahwa otot buatan diusulkan mengandung serat nilon dan/atau polietilen, dan itu mewakili media dari setidaknya satu poliorganosiloksan, setidaknya satu resin epoksi dan setidaknya satu katalis polimerisasi resin epoksi, dan otot dijahit dengan satu atau lebih benang dengan setidaknya satu bentuk memori serat intermetalik dan nilon dan/atau polietilen.
Senyawa intermetalik memori bentuk dapat dipilih dari kelompok: paduan Ti-Ni, Zr-Ni, Fe-Mn-Si dan Heusler. Efek memori bentuk dari senyawa intermetalik yang terdaftar adalah yang paling menonjol. Selain itu Fe-Mn-Si paling murah, Ti-Ni paling umum dan dipelajari, Zr-Ni mempunyai respon yang tinggi terhadap impuls listrik.
Untuk penguatan tambahan, memberikan otot gerakan yang lebih halus dan linier, otot juga dapat dijahit dengan benang elastomer.
Untuk meningkatkan amplitudo kontraksi otot buatan di bawah pengaruh impuls listrik, serat nilon dan/atau polietilen diinginkan untuk dipelintir dalam bentuk spiral.
Untuk meningkatkan respons otot terhadap denyut arus dan memberikan ketepatan gerakan, diinginkan bahwa satu atau lebih untaian dari setidaknya satu senyawa intermetalik memori bentuk dipelintir dalam bentuk spiral.
Untuk lebih meningkatkan kecepatan kontraksi otot buatan, memperlancar permulaan dan akhir kontraksi di bawah pengaruh impuls listrik, dan untuk mengurangi gesekan internal, diinginkan bahwa satu atau lebih untaian dari setidaknya satu bentuk memori senyawa intermetalik dipelintir dengan serat nilon dan/atau polietilen dalam bentuk spiral mengelilingi satu sama lain.
Untuk meningkatkan daya rekat, satu atau lebih helai dari setidaknya satu bentuk memori intermetalik dan serat nilon dan/atau polietilen dapat diikat ke media yang terdiri dari setidaknya satu organopolysiloxane melalui pengikatan atau pemanasan suhu tinggi yang diikuti dengan pendinginan.
Sebagai katalis untuk polimerisasi resin epoksi, Anda dapat menggunakan katalis Grubbs, yang paling mudah diakses dan tersebar luas.
Untuk penguatan tambahan, meningkatkan laju kontraksi di bawah pengaruh arus dan meningkatkan kerentanan terhadap pulsa arus lemah, otot buatan juga dapat dijahit dengan serat karbon nanotube.
Jika terjadi kontak antara beberapa otot buatan, untuk mengurangi gesekan di antara keduanya, sebaiknya lapisan polimetilsiloksan diaplikasikan pada permukaan otot buatan.
Untuk mengurangi biaya otot buatan dengan tetap mempertahankan kekuatan tinggi dan kecepatan respons terhadap impuls listrik, otot tersebut dapat memiliki kandungan komponen berikut, wt. %:
Poliorganosilikan memiliki sejumlah keunggulan dibandingkan simulan jaringan hidup lainnya. Produk yang dibuat darinya adalah yang paling tidak berbahaya dan tahan lama, memiliki suhu transisi gelas yang sangat rendah (sekitar -130°C), mampu menyalin dan melestarikan yang ditentukan penampilan, dan juga konsistensinya dekat dengan jaringan biologis, seperti otot alami.
Ada sejumlah material dengan memori bentuk, yang juga memungkinkan efek penyembuhan diri. Salah satu contoh paling umum dari bahan tersebut adalah senyawa intermetalik Ni-Ti (nitinol), di mana terdapat satu atom nikel untuk setiap atom titanium. Jika suatu produk yang dibuat darinya berubah bentuk, maka bila dipanaskan akan kembali berbentuk semula. Seiring dengan pemanasan, karena adanya hambatan, produk juga dapat dikembalikan ke bentuknya dengan melewatkan arus melaluinya. Jika produknya berupa benang tipis, hal ini dapat dilakukan bahkan dengan arus yang kecil, misalnya hingga 20 mA/cm 2, yang mengalir di sepanjang serabut saraf.
Menghafal posisinya dalam kondisi tertentu, serta kemungkinan penyembuhan diri, disebabkan oleh efek disklinasi, di mana migrasi butir terjadi pada batas zona cacat, yaitu cacat logam memperoleh medan tegangan dengan muatan yang begitu kuat sehingga tepi retakan semakin rapat dan senyawa intermetalik yang rusak dibuat ulang.
Ditemukan bahwa beberapa senyawa intermetalik berbahan dasar nikel lainnya, yang komponen kedua dalam bentuk murninya memiliki kisi kubik heksagonal yang rapat atau berpusat pada badan, mungkin memiliki sifat serupa. Senyawa intermetalik tersebut antara lain Ni-Zr dan Ni-V. Penggunaan yang terakhir untuk tujuan medis dikecualikan karena meningkatnya toksisitas vanadium dan senyawanya, namun penggunaannya dimungkinkan dalam robotika saat membuat manipulator.
Sebuah studi tentang senyawa intermetalik Ni-Zr, di mana terdapat satu atom zirkonium untuk setiap atom nikel, menunjukkan bahwa ia mampu merespons impuls listrik sedikit lebih cepat daripada nitinol (Ti-Ni), yang kemungkinan besar disebabkan oleh panas. konduktivitas komponen kedua: konduktivitas termal zirkonium pada 300 K adalah 22,7 W/(m K), dan titanium adalah 21,9 W/(m K).
Manifestasi memori bentuk di bawah pengaruh medan magnet diketahui pada senyawa intermetalik yang disebut paduan Heusler dan mempunyai rumus sebagai berikut: X 2 YZ, dimana X, Y, Z adalah logam yang berbeda. Jenis yang paling umum dari paduan ini adalah Ni 2 MnGa. Memori bentuk disebabkan oleh transisi fase martensit dan juga dapat disediakan oleh pulsa listrik yang mengubah medan magnet paduan Heusler.
Selain di atas, senyawa intermetalik dengan memori bentuk juga dikenal - Fe-Mn-Si, yang berbiaya rendah.
Bahan lain dengan memori bentuk juga dikenal, misalnya senyawa intermetalik: Au-Cd, Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni, Fe-Mn-Si, Fe-Ni, Cu-Al, Cu-Mn, Co - Ni dan Ni-Al. Namun, karena memori bentuk yang lemah dan sifat penyembuhan diri, mereka lebih sulit digunakan dalam praktik.
Jadi, untuk mengontrol otot bionik dengan impuls listrik, otot tersebut harus dijahit dengan benang dari setidaknya satu senyawa intermetalik dengan memori bentuk, dan ketebalan benang harus dipilih berdasarkan besarnya sinyal yang masuk. Jelasnya, untuk merasakan impuls saraf kecil, ketebalan benang harus kecil - sekitar 0,02-0,5 mm. Untuk merasakan impuls yang kuat, ketebalannya bisa beberapa milimeter atau lebih.
Pada saat yang sama, penggunaan senyawa intermetalik tanpa media yang berperan sebagai isolator panas dan isolator listrik (dalam hal ini poliorganosiloksan) menyebabkan sensitivitas senyawa intermetalik terhadap suhu lingkungan sehingga pergerakannya menjadi tidak terkendali.
Ada bahan yang cepat menyusut jika terkena panas. Mereka adalah serat polietilen dan nilon, yang ditandai dengan biaya rendah, kekuatan tinggi dan ketahanan aus. Namun, penggunaannya sebagai otot buatan tanpa memori bentuk filamen intermetalik menyebabkan sejumlah masalah. Karena konduktivitas listrik yang rendah pada serat, pulsa arus lemah tidak dapat mengaktifkan otot-otot tersebut tanpa perangkat elektronik tambahan. Namun, dalam kasus aksi impuls yang sinkron pada filamen intermetalik dengan memori bentuk dan pada serat nilon dan/atau polietilen, otot, melalui sejumlah impuls berulang, menjadi mampu berkontraksi dengan amplitudo dan kecepatan tinggi. Hal ini disebabkan oleh reaksi berantai: impuls pertama menyebabkan sedikit kontraksi pada serat, memicu sedikit kompresi senyawa intermetalik yang berada dalam sistem yang sama yang dihubungkan oleh media poliorganosiloksan, impuls kedua secara langsung menekan senyawa intermetalik. , yang mengingat posisi sebelumnya di bawah arus dengan karakteristik tertentu (gaya, frekuensi), menyebabkan serat berkontraksi dengan amplitudo lebih besar. Dengan impuls ketiga dan selanjutnya, otot buatan mulai bekerja kecepatan tinggi dan amplitudo gerakan. Dengan demikian, otot buatan dapat bekerja sepenuhnya hanya jika impuls listrik diterapkan pada serat dan benang intermetalik secara bersamaan.
Menjahit otot buatan dengan benang elastomer akan semakin memperkuatnya dan memungkinkan gerakan menjadi lebih halus dan lancar. gerakan halus sambil mempertahankan parameter lainnya. Penggunaan berbagai karet sebagai elastomer diperbolehkan, sebaiknya dengan elastisitas tinggi dan ketahanan sobek.
Kehadiran resin epoksi pada otot buatan bersama dengan katalis untuk polimerisasinya, misalnya katalis Grubbs yang paling mudah diakses, akan memungkinkan otot pulih dalam waktu singkat jika terjadi kerusakan, misalnya mekanis, kimia, atau termal.
Ketika dipanaskan dalam bentuk terbuka, serat nilon hanya dapat menyusut sebesar 4/100, polietilen sebesar 3/1000. Namun, jika serat-serat ini dipelintir menjadi spiral, nilon memperoleh kemampuan kompresi sebesar 34/100, dan polietilen sebesar 16/100. Efek ini dijelaskan oleh fenomena fisik sederhana: dalam bentuk yang diluruskan, benang berkontraksi karena peningkatan ketebalannya; dalam kasus kedua, benang berkontraksi baik karena peningkatan ketebalannya maupun karena pemendekan spiral. Nilai-nilai di atas mendekati kemampuan mereduksi alam serat otot dan dapat memungkinkan rekannya mengangkat beban berat.
Jika benang senyawa intermetalik dengan memori bentuk dipelintir menjadi spiral, reaksi otot buatan terhadap denyut arus yang sama menjadi lebih baik: dalam hal kecepatan, derajat kontraksi dan kelurusan gerakan, yaitu tidak ada getaran yang tegak lurus terhadap sumbu lintasan spiral benang intermetalik. Laju dan derajat kontraksi senyawa intermetalik dijelaskan oleh efek yang sama seperti pada serat nilon dan polietilen. Tidak adanya getaran tegak lurus dijelaskan sebagai berikut. Pergerakan senyawa intermetalik dalam bentuk benang lurus lebih sulit diprediksi karena ditentukan oleh memori struktur kristal logam hanya pada penampang benang tipis. Jika, karena beberapa faktor, suhu di satu bagian benang menjadi sangat berbeda dengan suhu di bagian lain, hal ini dapat menyebabkan pergerakan otot buatan yang tidak tepat. Pada saat yang sama, pergerakan senyawa intermetalik dalam bentuk benang yang dipilin dalam spiral akan ditentukan oleh memori struktur kristal logam di seluruh penampang putaran spiral, yang berkontribusi pada stabilisasi. dan kelurusan gerakan.
Jika untaian senyawa intermetalik memori bentuk dipelintir bersama dengan serat dalam bentuk spiral mengelilingi satu sama lain, hal ini akan menghasilkan rangkaian efek positif, yaitu: awal dan akhir kontraksi otot buatan yang lebih mulus di bawah pengaruh impuls listrik, peningkatan tambahan kecepatan kontraksi dan penurunan gesekan internal. Karena bahan sensitif terhadap pulsa saat ini bereaksi terhadap arus dengan pada kecepatan yang berbeda(misalnya, senyawa intermetalik, karena konduktivitas listriknya yang tinggi, merespons pulsa arus lebih cepat), jalinannya akan menghasilkan gerakan sinkron, yang akan mengurangi gesekan di dalam material dan, karenanya, mengurangi keausannya.
Selain itu, perlu dicatat bahwa menjahit benang dan serat intermetalik dalam keadaan terpelintir meningkatkan daya rekatnya ke alas dan dengan demikian, selama kontraksi, gesekan internal tidak terjadi pada otot dan bekerja dengan efisiensi maksimum.
Untuk lebih meningkatkan daya rekat, yang lebih diperlukan jika benang dalam keadaan lurus, dapat dikombinasikan dengan bahan dasar organopolysiloxane, misalnya dengan perekatan atau pemanasan suhu tinggi dan pendinginan selanjutnya. Dalam kasus yang terakhir, poliorganosiloksan pertama-tama melunak, dan dengan pendinginan lebih lanjut ia menyatu dengan benang.
Perekatan paling baik dilakukan dengan lem berbahan dasar resin epoksi, yang jika pecah, akan cepat berpolimerisasi di bawah aksi katalis.
Otot buatan juga dapat dijahit dengan serat karbon nanotube, yang juga berkontraksi di bawah pengaruh impuls listrik dan pada saat yang sama memiliki sifat kekuatan tinggi, merespons impuls dengan kecepatan tinggi dan memiliki kerentanan yang baik terhadap arus rendah. Dengan demikian, kehadirannya agak dapat meningkatkan kekuatan dan amplitudo kontraksi otot, namun biaya yang terakhir dalam hal ini akan meningkat.
Selain itu, dengan mempertimbangkan, meskipun lebih murah, tetapi masih cukup tinggi, biaya senyawa intermetalik, terutama Ni-Ti, untuk mengurangi biaya otot buatan dengan sedikit kehilangan kekuatan dan kecepatan respons terhadap impuls listrik, lebih baik dilakukan gunakan otot dengan komposisi berikut, wt. %:
Otot buatan yang diusulkan dapat digunakan sebagai bagian integral dari anggota tubuh bionik, atau berfungsi sebagai implan independen yang menggantikan otot hidup. Dalam kasus terakhir, ujung otot buatan dapat disambung ke tulang menggunakan perekat medis, seperti lem sianoakrilat, osteoplast, dan lain-lain.
Dalam kasus di mana hanya bagian terpisah dari otot hidup yang perlu diganti, analog buatannya juga dapat direkatkan ke otot hidup yang rusak, tetapi dalam situasi seperti itu ada kemungkinan besar tidak terpasangnya otot tersebut. Faktor-faktor seperti kontraksi, respirasi jaringan serat otot, metabolisme konstan dan proses kimia lainnya dapat menyebabkan penolakan implan. Mengingat hal di atas, selama implantasi, otot buatan yang diusulkan disarankan untuk direkatkan ke tulang, bukan ke tulang jaringan otot. Dengan demikian, otot hidup yang rusak dapat sepenuhnya diganti dengan otot buatan, tetapi memulihkan bagian terpisah menggunakan analog buatan pada tahap ini sangat bermasalah.
Dibuat 5 sampel berbentuk silinder berukuran 40×7 mm. Pertama, poliorganosiloksan, resin epoksi dan katalis untuk polimerisasinya dicampur, dan pencampuran dilakukan dalam dua tahap. Pada tahap pertama, pada suhu lelehnya, sejumlah kecil pengeras poliorganosiloksan, benzoil peroksida, ditambahkan ke poliorganosiloksan, diaduk perlahan searah jarum jam. Setelah ini, setelah sedikit mengental, resin epoksi dimasukkan ke dalamnya. Ketika, saat campuran mendingin dan aksi pengeras, campuran menjadi lebih kental, terus diaduk perlahan searah jarum jam, pada tahap kedua, katalis polimerisasi resin epoksi dimasukkan ke dalamnya.
Pengadukan seragam dalam satu arah mengentalkan poliorganosiloksan secara bertahap dan memasukkan resin epoksi secara bergantian (dengan konsistensi media yang kurang kental) dan katalis untuk polimerisasinya (dengan konsistensi media yang lebih tebal) menyebabkan fakta bahwa komponen-komponen ini secara bertahap memadat dalam massa poliorganosiloksan yang memiliki pemisahan fasa satu sama lain dan sebagian besar tidak bereaksi. Selain itu, karena resin dimasukkan dengan konsistensi medium yang kurang kental, distribusinya dalam otot buatan lebih luas, berbeda dengan katalis polimerisasi.
Campuran hasil yang hampir padat dimasukkan ke dalam bentuk silinder, didinginkan hingga suhu 65°C, dijahit sepanjang sumbu silinder dengan benang intermetalik, benang elastomer, serat karbon nanotube, serat nilon dan polietilen, setelah itu benda kerja yang dihasilkan adalah didinginkan hingga suhu kamar, kemudian diawetkan lebih lanjut dan benang dipasang dengan kuat di dalam media, dan dikeluarkan dari cetakan. Penjahitan dilakukan dengan jarum lurus atau dengan jarum spiral. Komposisi dan karakteristik sampel disajikan pada Tabel 1.
Sampel dijahit dengan 2 kabel polimer konduktif - politiofena, sedemikian rupa sehingga kabel tersebut memiliki luas kontak dengan setiap benang senyawa intermetalik, serat nilon dan/atau polietilen dan serat karbon nanotube.
Bagian atas sampel dengan kabel dimasukkan ke dalamnya dipasang pada cincin logam tekan, dan kabel yang terbuat dari polimer konduktif dihubungkan ke sumber listrik.
Seutas benang nilon dengan beban tersuspensi seberat 250 g dimasukkan melalui bagian bawah sampel.
Selanjutnya, arus diterapkan ke sampel sesuai dengan mode berikut: 1,5 detik - suplai arus, 1 detik - jeda, sedangkan setelah pulsa ketiga waktu tunda sinyal (waktu respons), kecepatan dan derajat kontraksi otot buatan diukur. . Dua impuls pertama tidak diperhitungkan, karena senyawa intermetalik belum “mengingat” gerakan kontraksi.
Setelah dilakukan beberapa kali pengukuran, sampel dihembuskan dengan udara hangat (sekitar 50°C) selama 10 detik dan pada saat itu juga diukur kecepatan dan derajat kontraksi otot buatan.
Parameter ini juga diukur dengan suplai arus dan pemanasan suhu secara simultan.
Setelah itu, sampel dirusak: bagian tengahnya dipotong, sehingga merusak benang dan serat. Kemudian sampel ke-1 dan ke-3 dibiarkan saja, dan sampel ke-2, ke-4, dan ke-5 disuplai arus untuk ketiga kalinya dalam mode yang sama.
Karakteristik arus yang disuplai, sifat dan reaksi otot buatan terhadap pulsa arus, suhu lingkungan dan kerusakan ditunjukkan pada Tabel 2.
Menurut data yang diperoleh, otot bionik yang diusulkan memiliki waktu respons yang singkat; ia mampu berkontraksi di bawah pengaruh impuls listrik yang lemah, dan tingkat kontraksi yang tidak terkendali di bawah pengaruh suhu lingkungan sangat kecil sehingga dapat diabaikan.
Selain itu, otot yang diusulkan memiliki sifat penyembuhan diri dalam waktu singkat, dan ketika sinyal arus diterapkan, kecepatan dan tingkat pemulihan meningkat. Kecepatan respons otot terhadap impuls arus dipengaruhi oleh parameter seperti frekuensi arus, serta geometri susunan benang dan serat intermetalik jika dipelintir dalam bentuk spiral dan, terlebih lagi, jika dipilin menjadi spiral dipelintir dalam bentuk spiral satu sama lain, kecepatan reaksi otot akan meningkat.
Dengan adanya benang elastomer, semua karakteristik otot di atas tetap kurang lebih sama, namun gerakannya menjadi lebih halus.
Serat karbon nanotube memiliki efek yang dapat diabaikan pada kecepatan respons, kekuatan, dan laju kontraksi. Oleh karena itu, kehadirannya tidak wajib dan dapat disuntikkan ke otot, berdasarkan biaya.
Mempertimbangkan fakta bahwa otot buatan yang diusulkan mampu mencapai hasil teknis yang dinyatakan, kita dapat menilai bahwa masalah miologi terkait implantasi telah teratasi. Sementara itu, masih ada pertanyaan dari sisi neurologis, yaitu mengenai suplai sinyal arus dari saraf ke otot (termasuk melalui saraf buatan).
Sejak hampir semuanya bahan kimia, termasuk dalam otot buatan yang diusulkan, tidak mahal, dan komponen yang paling berharga, nitinol, tidak memerlukan banyak konsumsi. penemuan yang diklaim, karena biayanya yang relatif rendah, juga dapat digunakan secara luas dalam robotika dan teknik mesin, misalnya, dalam produksi manipulator presisi tinggi.
1. Otot buatan yang mengandung serat nilon dan/atau polietilen, dicirikan bahwa otot tersebut merupakan media dari paling sedikit satu poliorganosiloksan, paling sedikit satu resin epoksi dan paling sedikit satu katalis polimerisasi resin epoksi, dimana otot tersebut dijahit dengan satu atau lebih benang dari setidaknya satu bentuk senyawa intermetalik memori dan serat nilon dan/atau polietilen.
2. Otot tiruan menurut klaim 1, dicirikan bahwa senyawa intermetalik dengan memori bentuk dipilih dari kelompok: paduan Ti-Ni, Zr-Ni, Fe-Mn-Si dan Heusler.
3. Otot tiruan menurut klaim 1, ditandai dengan tambahan jahitan dengan benang elastomer.
4. Otot tiruan menurut klaim 1, dicirikan bahwa serat nilon dan/atau polietilen dipelintir dalam bentuk spiral.
5. Otot tiruan menurut klaim 1, dicirikan bahwa satu atau lebih benang dari setidaknya satu bentuk senyawa intermetalik memori dipelintir dalam bentuk spiral.
6. Otot tiruan menurut klaim 1, dicirikan bahwa satu atau lebih benang dari setidaknya satu bentuk senyawa intermetalik memori dipelintir dengan serat nilon dan/atau polietilen dalam bentuk spiral mengelilingi satu sama lain.
7. Otot tiruan menurut klaim 1, dicirikan bahwa satu atau lebih benang dari paling sedikit satu bentuk senyawa intermetalik memori dan serat nilon dan/atau polietilen dihubungkan ke media paling sedikit satu poliorganosiloksan dengan perekatan atau pemanasan suhu tinggi yang diikuti dengan pendinginan.
8. Otot tiruan menurut klaim 1, dicirikan bahwa katalis Grubbs digunakan sebagai katalis untuk polimerisasi resin epoksi.
9. Otot buatan menurut klaim 1, ditandai dengan tambahan jahitan dengan serat karbon nanotube.
10. Otot tiruan menurut klaim 1, ditandai dengan lapisan polimetilsiloksan diaplikasikan pada permukaannya.
11. Otot tiruan menurut klaim 3, dicirikan mempunyai kandungan komponen sebagai berikut, wt. %:
Paten serupa:
Penemuan ini berkaitan dengan elektronik gelombang mikro. Dalam transistor efek medan gelombang mikro yang kuat berdasarkan heterostruktur semikonduktor, heterostruktur semikonduktor tersebut dibuat dalam bentuk rangkaian lapisan utama berikut, setidaknya satu lapisan buffer GaAs dengan ketebalan minimal 200 nm, sekelompok lapisan penghantar yang membentuk saluran transistor efek medan, sebagai bagian dari lapisan saluran InyGa1-yAs itu sendiri setebal 12-18 nm dan setidaknya dua lapisan n diolah dengan pengotor donor, dan dua lapisan i pengatur jarak AlxGa1-xAs masing-masing 1- Tebal 3 nm, terletak berpasangan di kedua sisi lapisan saluran itu sendiri, dua kelompok lapisan penghalang AlxGa1 -xAs, masing-masing di bentuk i-p-i sistem lapisan penghalang, salah satunya terletak di satu sisi kelompok lapisan konduktif - substrat, yang lain - di sisi berlawanan - gerbang, dengan lapisan penghalang di masing-masingnya sistem i-p-i memiliki ketebalan (100-200, 4-15, 2-10) nm di substrat, (2-10, 4-10, 4-15) nm di gerbang, masing-masing, tingkat doping dengan pengotor akseptor adalah (4-20) × 1018 cm- 2, masing-masing, lapisan penghalang i-GaAs dengan ketebalan 5-30 nm, lapisan kontak ohmik n+-GaAs dengan ketebalan sumber (10-60) nm dan elektroda drain, sedangkan elektroda gerbang dibuat dengan panjang tidak lebih dari 0,5 m.
Penemuan tersebut berkaitan dengan teknologi elektronik. Heterostruktur semikonduktor untuk transistor efek medan gelombang mikro berdaya tinggi berisi, pada substrat galium arsenida semi-isolasi kristal tunggal, serangkaian lapisan semikonduktor, masing-masing dengan sifat fungsional tertentu dan karakteristik teknis- ketebalan lapisan, komposisi - kualitatif dan kuantitatif, konsentrasi pengotor paduan.
Penemuan ini berkaitan dengan pengobatan eksperimental dan dapat digunakan dalam diagnosis dini dan pengobatan tumor yang diinduksi secara eksperimental. Untuk deteksi dini tumor, invasi dan metastasis MRI, hewan diberikan kombinasi nanopreparasi kontras MRI-negatif dengan agen kontras MRI positif.
Penemuan ini berkaitan dengan elektronik gelombang mikro. Dalam transistor efek medan gelombang mikro yang kuat berdasarkan heterostruktur semikonduktor, heterostruktur tersebut dibuat dalam bentuk rangkaian lapisan utama berikut: setidaknya satu lapisan buffer GaAs dengan ketebalan minimal 200 nm, sekelompok penghantar lapisan yang membentuk saluran transistor efek medan, sebagai bagian dari lapisan saluran aktual InyGa1-yAs dengan ketebalan 12 -20 nm dan setidaknya dua lapisan n diolah dengan pengotor donor, dan dua pengatur jarak AlxGa1-xAs i- lapisan, masing-masing setebal 1-3 nm, dua kelompok lapisan penghalang AlxGa1-xAs, salah satunya terletak di satu sisi lapisan kelompok penghantar - substrat, yang lain - di sisi berlawanan - gerbang, sedangkan kelompok substrat penghalang lapisan dibuat dalam bentuk sistem lapisan penghalang akseptor-donor pi-δn, kelompok gerbang lapisan penghalang berbentuk donor-akseptor δ sistem n-i-p lapisan penghalang, sedangkan pada setiap kelompok lapisan penghalang dibuat lapisan i dengan ketebalan 0,5-10 nm, lapisan p dibuat dengan tingkat doping yang memberikan potensi tinggi penghalang 0,4-0,8 dari celah pita AlxGa1 -xAs, δn- lapisan dibuat dengan tingkat doping yang berlebihan sehingga memberikan perbedaan densitas permukaan pengotor donor dan akseptor sebesar (1-10)×1012 cm-2.
Para peneliti di Universitas Columbia di New York telah menemukan otot buatan yang mampu mengangkat beban ribuan kali lebih berat. berat badan sendiri. Teknik pembuatannya sangat sederhana dan bahan-bahannya mudah didapat sehingga siapa pun dapat mulai membuat robot lunak, terutama jika mereka memiliki printer 3D.
Terlepas dari keberhasilan yang menakjubkan, umat manusia masih jauh dari “terminator” yang sebenarnya. Algoritma terus ditingkatkan, mesin menjadi lebih pintar - bahkan Elon Musk pun mulai takut dengan kecerdasan buatan. Bagaimana jika Theodore Kaczynski benar? Namun perangkat keras berkembang jauh lebih lambat dibandingkan perangkat lunak. Aktuator mekanis, pneumatik, dan hidrolik terlalu rumit dan seringkali tidak dapat diandalkan, material memori bentuk mahal dan tidak efisien, dan polimer elektroaktif memerlukan biaya energi yang relatif tinggi. Apa yang akan memberdayakan Android di masa depan?
Doktor Ilmu Pengetahuan Aslan Miriyev, seorang peneliti di laboratorium Mesin Kreatif di Universitas Columbia, mengusulkan versinya sendiri. Idenya adalah membuat otot buatan dari elastomer silikon yang dijenuhkan dengan alkohol biasa. Etil alkohol (walaupun belum tentu etil alkohol) memainkan peran kunci, karena ekspansi dan kontraksi otot terjadi sebagai akibat transisi mikrotetesan etanol dari fase cair ke fase gas dan sebaliknya. Hal ini dicapai melalui pemanasan dan pendinginan: penguapan alkohol yang terperangkap dalam silikon menyebabkan peningkatan tekanan dan, karenanya, perluasan struktur elastomer.
Suhu yang dibutuhkan diatur oleh elemen pemanas listrik linier atau spiral yang menembus otot. Saat menggunakan etanol efek maksimal dicapai dengan pemanasan berkepanjangan tepat di atas titik didih 78,4°C. Seberapa tinggi tergantung pada komposisi bahan yang digunakan, karena silikon akan menahan pemuaian, dan semakin tinggi kepadatan bahan, semakin tinggi tekanan dan titik didih alkohol. Dalam eksperimennya, Aslan memilih bahan dengan kandungan etanol 20 persen sebagai bahan optimal. Campuran dibuat hanya dengan mencampurkan silikon dan etanol dalam proporsi yang diperlukan hingga gelembung mikro alkohol tersebar merata. Campuran tersebut kemudian dapat digunakan untuk pengecoran cetakan atau pembuatan aditif menggunakan robocasting, yaitu pencetakan 3D ekstrusi, tetapi tanpa pemanasan. Misalnya, alat ekstruder jarum suntik. Selama percobaan, otot buatan menunjukkan kemampuan untuk meningkatkan volume hingga 900% dan menahan beban berulang. Jadi, sampel seberat enam gram mengangkat dan menurunkan beban dengan berat sekitar enam kilogram tiga puluh kali berturut-turut, yaitu seribu kali lebih banyak daripada bebannya sendiri! Angka maksimalnya bahkan lebih tinggi: otot seberat dua gram mampu menahan beban 12 kg, meski pada batas kemampuannya.
Sejauh ini baik-baik saja, tetapi otot seharusnya berkontraksi, bukan mengembang? Tidak apa-apa. Vektor kerja dapat ditentukan oleh cangkang yang menahan pemuaian pada bidang tertentu. Misalnya, otot bisep dan trisep pada ilustrasi di atas dibungkus dengan jaring dengan panjang tetap, dipasang di ujungnya ke bahu dan lengan bawah. Ekspansi diametris menyebabkan kontraksi longitudinal, seperti yang terjadi pada otot sebenarnya. Contoh ini menggunakan otot seberat 13 gram yang mampu mengangkat beban hingga satu kilogram bila dipanaskan oleh kumparan kawat nikrom 30V 1,5A. Pembengkokan dapat dicapai dengan menggunakan lapisan “pasif” dari bahan fleksibel dengan kekuatan tarik yang relatif tinggi yang diterapkan pada sisi “dalam” dari aktuator yang dapat dideformasi, seperti pada contoh gripper pada ilustrasi di bawah.
Biaya laboratorium untuk memproduksi otot seperti itu per gramnya tidak melebihi tiga sen. Untuk mencetak struktur eksperimental dari termoplastik, digunakan printer 3D FDM desktop Ultimaker, Ultimaker 2+ dan Stratasys uPrint, sedangkan otot buatan dicetak langsung pada printer 3D ekstruder ganda buatan sendiri yang dilengkapi dengan kepala jarum suntik. Laporan selengkapnya dapat dilihat di tautan ini.
Apakah kamu punya berita menarik? Bagikan perkembangan Anda dengan kami dan kami akan memberi tahu seluruh dunia tentangnya!
