Учеными из Национального университета Сингапура был создан новый тип искусственных мускулов, чьи показатели впечатлили коллег. Дело в том, что этот новый тип мускулов может растягиваться в пять раз, если учитывать их начальную длину, а вес, который они могут поднимать, превосходит их собственный в 80 раз.

Цель данной разработки обеспечить роботов удивительными силовыми характеристиками и при этом обеспечить наличие пластики как у человека.

По словам доктора Адриана Кох, который на данный момент является руководителем программы, полученный материал имеет структуру, схожую с мышечными тканями живых организмов.

Основной же интерес вызывает то, что, не смотря на свою силу, пластику и гибкость, эти искусственные мышцы реагируют на электрические управляющие импульсы в течение долей секунды, а это, несомненно, колоссальный результат.

Так, например, на данный момент подобного эффекта не может обеспечить никакая механика или гидравлика. Как рассказывает глава группы, если оснастить роботов данными быстродействующими искусственными мускулами, то тогда можно будет избавиться от механических движений роботов и приблизиться к «пластическим» показателям человека или различных животных. При всем этом, выносливость, сила и точность движений должны превосходить человеческие во много раз.

Данный материал представляет собой сложный композит, который, в свою очередь, состоит из различных полимеров. Используя в данном составе материала эластичные полимеры со способностью растягиваться в 10 раз и полимеров, способных выдерживать вес в 500 раз превышающий свой собственный, позволили добиться таких удивительных результатов. Как сообщают ученые – работа над разработкой будет длиться еще не один год, а в течение нескольких лет, планируется создать несколько видов конечностей для роботов, которые оснастят данным видом искусственных мускулов. Интересно то, что конечность будет иметь вес и размер в два раза меньше человеческого аналога, однако шансов на победу у человека будет не много.

Несмотря на то, что данная разработка является наиболее интересной для группы ученых именно в этой сфере, параллельно они планируют использовать полученный материал для иных целей. Так, например, новый материал способен выполнять превращение механической энергии в электрическую энергию и наоборот. И поэтому ученые параллельно занимаются разработкой конструкции электрического генератора на основе мягких полимерных материалов. Интерес тут представляет тот факт, что по планам его вес составит около 10 килограмм, а вырабатывать электроэнергии сможет столько же, сколько вырабатывает традиционный генератор, используемый в турбинах ветрогенераторов и весом в 1 тонну.

Разработана технология создания недорогих искусственных мышц на основе жесткого каркаса, заключенного в мягкую камеру. Мышцы сокращаются за счет уменьшения в них давления, причем их можно создавать, используя разные материалы. Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences .

Инженеры, разрабатывающие роботов, нередко используют в своих изобретениях конструкции, напоминающие по функциям живых существ. Несмотря на это, для движения роботы все равно чаще всего используют электромоторы или двигатели внутреннего сгорания, соединенные со сложными механическими передачами. Некоторые исследователи придерживаются другого подхода и разрабатывают источники движения, более близкие по своему устройству к мышцам. Уже существует немало прототипов искусственных мышц, которые могут сокращаться подобно настоящим мышцам, но почти все они требуют дорогих материалов и технологических процессов, при этом эффективность многих из них все еще низка.

Исследователи под руководством Роберта Вуда (Robert Wood) из Гарвардского университета разработали простую и недорогую технологию создания эффективных искусственных мышц, которые можно создавать из большого количества разных материалов. Принципиальная схема создания таких актуаторов довольно проста. В качестве основы используется каркас заданной формы, который может складываться и раскладываться. Затем вокруг этого каркаса склеиваются или сплавляются два фрагмента пленки из полимера или другого воздухонепроницаемого и мягкого материала. Таким образом формируется мягкая камера с жестким каркасом внутри, которая подключается к источнику разницы давления.

Принцип действия искусственных мышц

Shuguang Li et al. / PNAS, 2017

Управление актуатором происходит за счет уменьшения или увеличения давления жидкости или газа внутри камеры. В результате актуатор начинает менять форму: складываться или наоборот увеличиваться в размерах, а в случае с каркасом сложной формы, совершать другие движения - например, изгибаться в определенную сторону.

Пример захватывающего устройства

Shuguang Li et al. / PNAS, 2017

С помощью такой технологии исследователи создали несколько прототипов актуаторов, и измерили их эффективность. Один из этих прототипов, представляющий собой десятисантиметровый линейный актуатор весом менее трех грамм, смог поднять груз массой более трех килограмм. Исследователи подсчитали, что пиковая мощность таких актуаторов составляет около двух киловатт на килограмм массы, что делает их мощнее настоящих скелетных мышц млекопитающих.

Ранее ученые представляли множество прототипов искусственных мышц, работающих на основе разных принципов. Некоторые также работают за счет давления, например, основную часть которой занимает полимерная пена, покрытая силиконом, а также мягкие вакуумные из множества полых ячеек. Другие используют для своей работы нагревание: таким образом работают на основе нейлоновой лески и недавно представленный , наполненный пузырьками с этанолом, который при нагревании превращается в газ и расширяется. Помимо этого недавно был представлен из множества слоев двумерного материала, который расширяется при внедрении в него сторонних ионов. Кстати, не всегда искусственные мышцы сделаны полностью из искусственных материалов. Тайваньские ученые мышцы из тонкой пленки из кожицы лука, которая сокращается под действием электричества.

Григорий Копиев

Американские учёные или Университета Далласа (что в штате Техас), профессор Ray Baughman и его научная группа – научились «плести» искусственные мышечные волокна, взятые из обычной капроновой рыболовной лески - пополам с такой же обычной ниткой.

Технология, которую запатентовал Ray Baughman, на удивление проста, но о ней чуть позже.

Полученные техасцами искусственные мышцы из полимерной нити- сильны и дёшевы. Учёные собираются использовать эти новые искусственные мышечные волокна для двух основных целей:

• при строительстве роботов грузо-подъёмщиков,
• и для создания экзоскелетов в самых различных сферах применения.

Искусственные мышечные волокна Ray Baughman из университета Далласа - по всем показателям - намного превосходят природные, человеческие.

Так, искусственная мышца из рыболовной лески – может сокращаться на целых 50 % от своей исходной длины.

Человеческая же мышца умеет сокращаться лишь на 20 процентов от своей исходной длины...

(Напомним, что работу производит именно - сокращающаяся мышца, отсюда и такое внимание именно к этой детали).

По грубым подсчётам, искусственные мышцы на два порядка успешней -в подъёме весов и в выработке механической энергии в целом. Американцы также считают, что создали мышцу «с мощностью реактивного двигателя», в силу того, что на один килограмм веса такая мышца развивает мощность – в семь и более лошадиных сил.

Искусственная мышца: Всё гениальное – просто

Полимерная нить, та, которая и идёт на изготовление лески для рыболовов, скручивается в спираль. Под воздействием температуры, спираль из лески то скручивается (сокращается), то раскручивается (расслабляется).

При нагреве – искусственная мышца - растягивается, при остывании – скручивается. И – наоборот.

Собственно, удивительное в изобретении Ray Baughman – это то самое «наоборот».

В искусственной мышце – сплетены шесть полимерных нитей, отличающихся друг от друга – толщиной.

Успешный эксперимент учёных показал, что углеродные нанотрубки (из которых раньше пытались делать искусственные мышцы) это тупиковый путь развития данной технологии. Кроме этого - в область технологий «прошлого века» сразу же уходят – гидравлика и пневматика. Робот с искусственными мышцами из рыболовной лески работает – бесшумно, дёшево и эффективно.

Также по словам учёных – изготовить искусственную мышцу настолько просто, что с этим справится и школьник в рамках лабораторной по физике. Нужно лишь иметь с собой – две канцелярские скрепки, дрель и … саму леску!

Добро пожаловать в век киборгов-силачей?..

Искусственные мышцы из нейлоновой лески

С обычной рыболовной леской из полимерного материала можно сделать занимательный опыт. Если вытянуть леску в длину и, зажав один конец, долго закручивать другой вокруг своей оси, то на леске образуются плотные кольца и она приобретает вид спиральной пружины. При нагревании эта пружина сокращается, а при охлаждении – удлиняется. Сборная команда новосибирских школьников исследовала свойства такой «искусственной мышцы» на Международном турнире юных физиков IYPT-2015. Интересно, что для количественного описания сокращения таких мышц можно использовать теорему Калугаряну – Уайта – Фуллера, ранее нашедшую применение в молекулярной биологии при описании сверхспирализованных ДНК

Искусственные мышечные волокна, способные многократно сокращаться под действием внешнего стимула и совершать механическую работу, в недалеком будущем могут найти применение в разнообразных приложениях, от экзоскелетов и промышленных роботов до микрофлюидных технологий. Разработки и исследования искусственных мышц ведутся по разным направлениям – металлы с памятью формы, электроактивные полимеры, жгуты из углеродных нанотрубок. Совсем недавно группа исследователей предложила использовать в качестве недорогих и весьма эффективных искусственных мышц спирали, свитые из обычной рыболовной лески (Hainеs еt al. , 2014). Такая искусственная мышца заметно сокращается при нагревании и вновь удлиняется при охлаждении. Изготовить спиральную мышцу из нейлоновой лески и исследовать ее свойства было предложено участникам Международного турнира юных физиков IYPT-2015 в задаче «Искусственная мышца».

Мышцы требуют тренировки

В наших экспериментах мы использовали леску диаметром 0,7 мм. Чтобы свернуть ее в спираль, мы закрепили электродрель в вертикальном положении, зажали один конец лески в патроне, а к другому концу прикрепили груз весом 3 Н – при таком весе леска не порвется, а свернется в однородную спираль. В процессе закрутки груз должен подниматься вверх, не проворачиваясь вокруг вертикальной оси, для чего на него устанавливается фиксатор.

Когда продольные волокна на поверхности лески завиваются примерно на 45° по отношению к продольной оси, леска начинает скручиваться в плотную спираль. Исходный отрезок лески длиной 1 м при скручивании превращается в 17 см такой спирали. При этом нейлон претерпевает столь сильную пластическую деформацию, что после снятия вращающего усилия спираль почти не раскручивается обратно. В принципе это новое состояние волокон можно закрепить, медленно нагрев леску до температуры, близкой к температуре плавления, а затем охладив ее.

Во избежание раскручивания спирали при последующих испытаниях мы составляли искусственную мышцу из двух спиралей с правой и левой завивкой, скрепляя их параллельно. Снизу к вертикально подвешенной мышце крепился поднимаемый груз. Для сокращения мышцы на ее верх­ний конец по трубке подавалась горячая вода, которая свободно стекала по спиралям вниз. Температура мышцы измерялась закрепленным на ней термодатчиком, удлинение – ультразвуковым датчиком перемещения.

Измерив в нескольких последовательных испытаниях, как длина мышцы с подвешенным к ней грузом 10 Н зависит от температуры, мы обнаружили эффект тренировки: после первых циклов нагрева и охлаждения мышца становилась длиннее, но с четвертого раза циклы начинали воспроизводиться, так что тренированная мышца длиной 200 мм при нагреве от 20 до 80 °С каждый раз сокращалась на 30 мм, совершая работу в 0,3 Дж, а затем на столько же растягивалась при охлаждении. При нагреве спираль поглощала тепловую энергию 50 Дж, так что КПД мышцы составлял 0,06 %.

Твист и серпантин

Объясним теперь, почему нейлоновая спираль сокращается при увеличении температуры. Опыт показывает, что при нагреве сокращается и не закрученная леска с подвешенным грузом, хотя и не так заметно. Это сокращение связано с анизотропией материала, из которого изготовлена леска. Когда расплавленный нейлон пропускается через фильеру, длинные полимерные молекулы ориентируются вдоль лески. Нагруженные полимерные волокна при нагреве ведут себя так же, как и нити растянутой резины (Trеloar, 1975) – сокращаются, увеличивая энтропию системы.

Теперь рассмотрим леску, закрученную до состояния, в котором она начинает завиваться в спираль. Как уже было сказано, в этом состоянии продольные волокна на поверхности лески завиты примерно на 45° по отношению к оси. При нагреве лески закрученные волокна сокращаются, что приводит к раскручиванию лески. Для простоты будем считать, что если волокна сокращаются на 1 %, то и число оборотов, на которое раскручивается леска, составляет 1 % от полного числа оборотов, на которое она закручена.

Нам осталось разобраться с тем, как связаны между собой сокращение волокон и сокращение спиральной мышцы. Разработка простой математической модели, описывающей эту связь, составила важную часть нашего решения задачи. В итоге для описания сокращения спирали мы применили формулу Калугаряну – Уайта – Фуллера (CWF):

которая была доказана в дифференциальной геометрии (Călugărеanu, 1959; Whitе, 1969; Fullеr, 1971), а затем нашла применение в молекулярной биологии при описании сверхспирализованных ДНК (Fullеr, 1978; Pohl, 1980).

Число зацепления Lk (англ. – linking numbеr ) в этой формуле показывает, на сколько оборотов нижний конец лески был закручен по отношению к верхнему. Это число является топологическим инвариантом: оно остается неизменным при деформациях спирали, если нижний конец лески не раскручивается относительно верхнего.

Формула CWF говорит о том, что число зацепления можно разложить на два слагаемых – Tw (twisting ) и Wr (writhing ), сумма которых в нашем эксперименте остается неизменной. Число Tw характеризует закрутку волокон внутри лески (первичную); число Wr – внеш­нюю закрутку самой лески (вторичную), когда она образует пространственную спираль.

Чтобы лучше уяснить смысл этой формулы, возьмите тонкий пластиковый шнур, проведите маркером прямую линию на его поверхности, а затем спирально намотайте этот шнур на кусок толстой трубы так, чтобы проведенная линия была обращена наружу от трубы. Допустим, что шнур обернут вокруг трубы на 5 оборотов. В таком состоянии внутренняя закрутка волокон шнура Tw = 0, и число зацепления равно внешней закрутке: Lk = Wr = 5. Теперь возьмитесь за концы шнура двумя руками, снимите шнур с трубы, не разнимая рук, и растяните его. Шнур вытянулся по прямой, пространственные кольца исчезли, и теперь его внешняя закрутка Wr = 0. При этом шнур оказался перекрученным вокруг своей оси, и число оборотов его внутренней закрутки стало равно числу зацепления: Tw = Lk = 5.

В упомянутых выше математических работах была найдена математическая формула для вычисления внешней закрутки Wr в общем случае. Для равномерной спиральной закрутки эта формула сильно упрощается (Fullеr, 1978), приобретая вид

Wr = N ∙(1 – sin α),

где N – это число витков внешней спирали, α – угол подъема винтовой линии спирали.

Когда мы закручивали в спираль метровую леску, патрон дрели совершил 360 оборотов до образования барашков (петель) и 180 оборотов после образования барашков; при этом на каждый оборот возникал один новый барашек. Это означает, что внутренней закрутки лески при образовании барашков уже не происходило, так что готовая мышца характеризовалась числами Tw = 360, Wr = 180.

Опыт показывает, что незакрученная нейлоновая леска сокращается на 1,1 % при нагреве от 20 до 80° С. Будем считать, что это сокращение волокон приводит к уменьшению внутренней закрутки Tw также на 1,1 %, т. е. на 4 оборота. Тем самым внешняя закрутка Wr увеличивается на 4 оборота, т. е. на 2,2 %. Число витков спирали N при этом не меняется, значит на 2,2 % увеличивается значение выражения (1 – sin α), т. е. уменьшается величина угла α, за счет чего спираль и становится короче. В готовой спиральной мышце sin α ≈ 0,16, поэтому увеличение значения (1 – sin α) на 2,2 % приводит к уменьшению sin α на 13 %. Именно на столько и происходило сокращение высоты спирали в нашем эксперименте.

Конечно, принятая модель – достаточно грубая, но она дает результаты, согласующиеся с экспериментом. Ее основным достоинством является ее простота: вместо того чтобы описывать структуру волокон лески, мы оперируем легко подсчитываемыми в опыте числами Tw, Wr и Lk. Вся грубость модели заключается в предположении о том, что относительное уменьшение внутренней закрутки спирали равно относительному сокращению волокон незакрученной лески при таком же изменении температуры. Это предположение можно было бы проверить в косвенном эксперименте с леской, закрученной до такого состояния, когда на ней вот-вот начнут образовываться барашки, и зафиксированной в этом состоянии за счет нагрева до температуры, близкой к температуре плавления нейлона, и последующего охлаждения.

Литература

Călugărеanu G. L’ intégral dе Gauss еt l’analysе dеs noеuds tridimеnsionnеls // Rеv. Math. Purеs Appl. 1959. V. 4. P. 5–20.

Chеrubini A., Morеtti G, Vеrtеchy R., Fontana M. Еxpеrimеntal charactеrization of thеrmally-activatеd artificial musclеs basеd on coilеd nylon fishing linеs // AIP Advancеs. 2015. V. 5. Doc. 067158.

Hainеs C. S., Lima M. D., Na Li еt al. Artificial musclеs from fishing linе and sеwing thrеad // Sciеncе. 2014. V. 343. P. 868–872.

Fullеr F. B. Thе writhing numbеr of a spacе curvе // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1971. V. 68. P. 815–819.

Fullеr F. B. Dеcomposition of thе linking numbеr of a closеd ribbon: A problеm from molеcular biology // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1978. V. 75. P. 3557–3561.

Pohl W. F. DNA and diffеrеntial gеomеtry // Math. Intеlligеncеr. 1980. V. 3. P. 20–27.

Trеloar L. R. G. Thе physics of rubbеr еlasticity. Oxford univеrsity prеss, 1975.

Whitе J. H. Sеlf-linking and thе Gauss intеgral in highеr dimеnsions // Am. J. Math. 1969. V. 91. P. 693–728.

Огромное количество мужчин, знаменитых спортсменов, актеров и обычных рабочих, мечтают о красивом подтянутом теле как с обложки журнала. Многие представители сильного пола убеждены, что именно такой внешний вид сделает их уверенными в себе, ведь такое тело нравится красивым женщинам.
Поспорить с этим утверждением сложно, атлеты нравятся большинству женщин. Но как же добиться желаемого результата, если не хочется дни и ночи проводить в спортзале. Казалось бы, идеальное решение – искусственные мышцы, но на самом деле все не так просто, у любой процедуры есть свои показания и побочные эффекты. Рассмотрим несколько видов увеличения мышц искусственным путем.

Синтол

Увеличение объема мышц

Импланты

• Импланты не всегда приживаются, иногда приходится снова делать операцию, удаляя их;
• Организм может ответить бурной аллергической реакцией на инородное тело;
• После операции может возникнуть кровотечение, инфекция, воспалительный процесс в тканях, нагноение;
• Если хирург недостаточно опытен, могут остаться заметные рубцы;
• Может возникать сильный отек тканей, который не проходит длительное время.

Если человек решается на операцию, нужно обязательно убедиться, что врач достаточно опытный, обязательно пройти обследование, и не ложиться под нож пластического хирурга, если есть противопоказания. Красивым можно стать и без риска для дальнейшей жизни.

Пуш-ап

• В первую очередь, в пуш-ап накладках очень жарко, особенно летом. Такой метод подойдет для холодного времени года.
• Накладки незаметны под одеждой, но если снять рубашку, тайна сразу раскроется.
• Искусственные мышцы на ощупь не похожи на настоящие мускулы.
• Накладки не сокращаются, как настоящие мышцы, поэтому при прикосновении сразу выдают себя.
• Стоят они не дешево, на эти деньги лучше приобрести абонемент в спортзал и заняться своим здоровьем и фигурой по-настоящему.

Стероиды

Еще один всем известный метод быстро и без тренировок нарастить мышцы – прием анаболиков . Казалось бы, такой метод является прекрасным решением для тех, кто хочет красивое тело, но ленится тренироваться. При том, мышцы растут по-настоящему, а не опухают как от синтола, внутри нет никаких инородных тел, как при установке имплантов.
Стероиды-анаболики повышают количество тестостерона в организме. Таким образом, мозг воспринимает себя более мужественным и начинает активно наращивать мышечную массу, делая человека сильнее и крупнее. Минусом стероидов является то, что они вызывают привыкание, со временем организм перестанет вырабатывать тестостерон самостоятельно.
Кроме того, анаболики имеют побочные эффекты, они негативно влияют на печень, угнетая ее работу, нарушая кровообращение. Как следствие, в организме накапливаются вредные вещества, поэтому могут возникать злокачественных новообразования. Кроме того, при приеме анаболиков повышается давление, уровень холестерина в крови, и соответственно, риск сердечно-сосудистых заболеваний.

Технологии

Лучшее

Лучше всего получить настоящие мышцы, регулярно тренируясь и правильно питаясь . Такой метод не только самый безопасный, но он действительно поднимет самооценку, укрепит тело, ведь, чтобы добиться таких высот, нужно очень постараться и долго тренироваться.
Вставить силиконовые мышцы, или употреблять лекарства проще всего, но разве это добавит человеку уверенности в себе и здоровья. До сих пор такие методы считаются вредными и настоящие спортсмены их не уважают. Лучший способ сделать тело красивым и подтянутым – заниматься в тренажерном зале.

Увеличение (видео)