Вченими з Національного університету Сінгапуру було створено новий тип штучних м'язів, показники яких вразили колег. Справа в тому, що цей новий тип м'язів може розтягуватися вп'ятеро, якщо враховувати їхню початкову довжину, а вага, яку вони можуть піднімати, перевищує їх власний у 80 разів.

Мета даної розробки забезпечити роботів дивовижними силовими характеристиками і забезпечити наявність пластики як у людини.

За словами доктора Адріана Кох, який на даний момент є керівником програми, отриманий матеріал має структуру, схожу на м'язові тканини живих організмів.

Основний інтерес викликає те, що, незважаючи на свою силу, пластику і гнучкість, ці штучні м'язи реагують на електричні керуючі імпульси протягом часток секунди, а це, безсумнівно, колосальний результат.

Так, наприклад, на даний момент такого ефекту не може забезпечити жодна механіка чи гідравліка. Як розповідає глава групи, якщо оснастити роботів даними швидкодіючими штучними м'язами, тоді можна буде позбутися механічних рухів роботів і наблизитися до «пластичних» показників людини або різних тварин. При цьому, витривалість, сила і точність рухів повинні перевершувати людські в багато разів.

Даний матеріал є складним композитом, який, у свою чергу, складається з різних полімерів. Використовуючи в даному складі матеріалу еластичні полімери зі здатністю розтягуватися в 10 разів і полімерів, здатних витримувати вагу в 500 разів, що перевищує свій власний, дозволили досягти таких дивовижних результатів. Як повідомляють вчені – робота над розробкою триватиме ще не один рік, а протягом кількох років, планується створити кілька видів кінцівок для роботів, які оснастять даним видом штучних м'язів. Цікаво те, що кінцівка матиме вагу і розмір удвічі менший за людський аналог, проте шансів на перемогу в людини буде не багато.

Незважаючи на те, що ця розробка є найцікавішою для групи вчених саме в цій сфері, паралельно вони планують використовувати отриманий матеріал для інших цілей. Так, наприклад, новий матеріал здатний виконувати перетворення механічної енергії на електричну енергію і навпаки. Тому вчені паралельно займаються розробкою конструкції електричного генератора на основі м'яких полімерних матеріалів. Інтерес тут представляє той факт, що за планами його вага складе близько 10 кілограм, а виробляти електроенергії зможе стільки ж, скільки виробляє традиційний генератор, який використовується в турбінах вітрогенераторів і вагою 1 тонну.

Розроблено технологію створення недорогих штучних м'язів на основі жорсткого каркаса, укладеного в м'яку камеру. М'язи скорочуються за рахунок зменшення тиску, причому їх можна створювати, використовуючи різні матеріали. Статтю опубліковано в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.

Інженери, що розробляють роботів, нерідко використовують у своїх винаходах конструкції, що нагадують за функціями живих істот. Незважаючи на це, для руху роботи все одно найчастіше використовують електродвигуни або двигуни внутрішнього згоряння, з'єднані зі складними механічними передачами. Деякі дослідники дотримуються іншого підходу та розробляють джерела руху, ближчі за своїм пристроєм до м'язів. Вже існує чимало прототипів штучних м'язів, які можуть скорочуватися подібно до справжніх м'язів, але майже всі вони вимагають дорогих матеріалів та технологічних процесів, при цьому ефективність багатьох з них все ще низька.

Дослідники під керівництвом Роберта Вуда з Гарвардського університету розробили просту і недорогу технологію створення ефективних штучних м'язів, які можна створювати з великої кількості різних матеріалів. Принципова схема створення таких актуаторів є досить простою. Як основа використовується каркас заданої форми, який може складатися і розкладатися. Потім навколо цього каркаса склеюються або сплавляються два фрагменти плівки з полімеру або іншого повітронепроникного та м'якого матеріалу. Таким чином, формується м'яка камера з жорстким каркасом усередині, яка підключається до джерела різниці тиску.

Принцип дії штучних м'язів

Shuguang Li та ін. / PNAS, 2017

Управління актуатором відбувається з допомогою зменшення чи збільшення тиску рідини чи газу всередині камери. У результаті актуатор починає змінювати форму: складатися чи навпаки збільшуватися у розмірах, а у випадку з каркасом складної форми, здійснювати інші рухи – наприклад, згинатися у певний бік.

Приклад захоплюючого пристрою

Shuguang Li та ін. / PNAS, 2017

За допомогою такої технології дослідники створили кілька прототипів актуаторів та виміряли їх ефективність. Один з цих прототипів, що є десятисантиметровим лінійним актуатором вагою менше трьох грам, зміг підняти вантаж масою більше трьох кілограм. Дослідники підрахували, що пікова потужність таких актуаторів становить близько двох кіловат на кілограм маси, що робить їх потужнішими за справжні скелетні м'язи ссавців.

Раніше вчені представляли багато прототипів штучних м'язів, що працюють на основі різних принципів. Деякі також працюють за рахунок тиску, наприклад, основну частину якої займає полімерна піна, покрита силіконом, а також вакуумні м'які з безлічі порожнистих осередків. Інші використовують для своєї роботи нагрівання: таким чином працюють на основі нейлонової волосіні і нещодавно представлений наповнений бульбашками з етанолом, який при нагріванні перетворюється на газ і розширюється. Крім цього, нещодавно був представлений з безлічі шарів двовимірного матеріалу, який розширюється при впровадженні в нього сторонніх іонів. До речі, не завжди штучні м'язи зроблені повністю із штучних матеріалів. Тайванські вчені м'язи з тонкої плівки зі шкірки цибулі, що скорочується під дією електрики.

Григорій Копієв

Американські вчені або Університету Далласа (що в штаті Техас), професор Ray Baughman та його наукова група – навчилися «плести» штучні м'язові волокна, взяті зі звичайної капронової рибальської волосіні - навпіл із такою ж звичайною ниткою.

Технологія, яку запатентував Ray Baughman, напрочуд проста, але про неї трохи пізніше.

Отримані техасцями штучні м'язи з полімерної нитки - сильні та дешеві. Вчені збираються використовувати ці нові штучні м'язові волокна для двох основних цілей:

• при будівництві роботів вантажо-підйомників,
• і для створення екзоскелетів у різних сферах застосування.

Штучні м'язові волокна Ray Baughman з університету Далласа – за всіма показниками – набагато перевершують природні, людські.

Так, штучний м'яз із рибальської волосіні – може скорочуватися на цілих 50 % від своєї вихідної довжини.

Людський м'яз вміє скорочуватися лише на 20 відсотків від своєї вихідної довжини.

(Нагадаємо, що роботу робить саме - м'яз, що скорочується, звідси і така увага саме до цієї деталі).

За грубими підрахунками, штучні м'язи на два порядки успішніші - у підйомі терезів і у виробленні механічної енергії в цілому. Американці також вважають, що створили м'яз «з потужністю реактивного двигуна», через те, що на один кілограм ваги такий м'яз розвиває потужність – у сім і більше кінських сил.

Штучний м'яз: Все геніальне – просто

Полімерна нитка, та, яка і йде на виготовлення волосіні для рибалок, скручується у спіраль. Під впливом температури, спіраль із волосіні то скручується (скорочується), то розкручується (розслаблюється).

При нагріванні – штучний м'яз – розтягується, при охолодженні – скручується. І навпаки.

Власне, дивовижне у винаході Ray Baughman – це саме «навпаки».

У штучному м'язі - сплетені шість полімерних ниток, що відрізняються один від одного - завтовшки.

Успішний експеримент вчених показав, що вуглецеві нанотрубки (з яких раніше намагалися робити штучні м'язи) – це тупиковий шлях розвитку даної технології. Крім цього - в область технологій «минулого століття» одразу йдуть – гідравліка та пневматика. Робот зі штучними м'язами з рибальської волосіні працює – безшумно, дешево та ефективно.

Також за словами вчених – виготовити штучний м'яз настільки просто, що з цим впорається і школяр у рамках лабораторної фізики. Потрібно лише мати з собою – дві канцелярські скріпки, дриль та … саму волосінь!

Ласкаво просимо у вік кіборгів-силачів?

Штучні м'язи з нейлонової волосіні

З звичайним рибальським лісом з полімерного матеріалу можна зробити цікавий досвід. Якщо витягнути волосінь у довжину і, затиснувши один кінець, довго закручувати інший навколо своєї осі, то на волосіні утворюються щільні кільця і ​​вона набуває вигляду спіральної пружини. При нагріванні ця пружина скорочується, а при охолодженні подовжується. Збірна команда новосибірських школярів досліджувала властивості такого «штучного м'яза» на Міжнародному турнірі юних фізиків IYPT-2015. Цікаво, що для кількісного опису скорочення таких м'язів можна використовувати теорему Калугаряну - Уайта - Фуллера, яка раніше знайшла застосування в молекулярній біології при описі надспіралізованих ДНК

Штучні м'язові волокна, здатні багаторазово скорочуватися під впливом зовнішнього стимулу і виконувати механічну роботу, у майбутньому можуть знайти застосування різноманітних додатках, від екзоскелетів і промислових роботів до микрофлюидных технологій. Розробки та дослідження штучних м'язів ведуться за різними напрямками – метали з пам'яттю форми, електроактивні полімери, джгути з вуглецевих нанотрубок. Зовсім недавно група дослідників запропонувала використовувати як недорогі і дуже ефективні штучні м'язи спіралі, звиті зі звичайної рибальської волосіні (Hainеs еt al., 2014). Такий штучний м'яз помітно скорочується при нагріванні і знову подовжується при охолодженні. Виготовити спіральний м'яз з нейлонової волосіні та дослідити її властивості було запропоновано учасникам Міжнародного турніру юних фізиків IYPT-2015 у задачі «Штучний м'яз».

М'язи вимагають тренування

У наших експериментах ми використовували волосінь діаметром 0,7 мм. Щоб згорнути її в спіраль, ми закріпили електродриль у вертикальному положенні, затиснули один кінець волосіні в патроні, а до іншого кінця прикріпили вантаж вагою 3 Н - при такій вазі волосінь не порветься, а згорнеться в однорідну спіраль. У процесі закрутки вантаж повинен підніматися нагору, не провертаючись навколо вертикальної осі, для чого на нього встановлюється фіксатор.

Коли поздовжні волокна лежить на поверхні волосіні завиваються приблизно 45° стосовно поздовжньої осі, волосінь починає скручуватися в щільну спіраль. Вихідний відрізок волосіні довжиною 1 м при скручуванні перетворюється на 17 см такої спіралі. При цьому нейлон зазнає такої сильної пластичної деформації, що після зняття зусилля, що обертає, спіраль майже не розкручується назад. В принципі, цей новий стан волокон можна закріпити, повільно нагріваючи волосінь до температури, близької до температури плавлення, а потім охолодивши її.

Щоб уникнути розкручування спіралі при наступних випробуваннях, ми становили штучний м'яз з двох спіралей з правою і лівою завивкою, скріплюючи їх паралельно. Знизу до вертикально підвішеного м'яза кріпився вантаж, що піднімається. Для скорочення м'яза на її верхній кінець по трубці подавалася гаряча вода, яка вільно стікала спіралями вниз. Температура м'яза вимірювалася закріпленим на ній термодатчиком, подовження – ультразвуковим датчиком переміщення.

Вимірявши в декількох послідовних випробуваннях, як довжина м'яза з підвішеним до нього вантажем 10 Н залежить від температури, ми виявили ефект тренування: після перших циклів нагріву та охолодження м'яз ставав довшим, але з четвертого разу цикли починали відтворюватися, так що тренований м'яз довжиною 200 мм при нагріванні від 20 до 80 ° С щоразу скорочувалася на 30 мм, виконуючи роботу в 0,3 Дж, а потім на стільки ж розтягувалася при охолодженні. При нагріванні спіраль поглинала теплову енергію 50 Дж, тому ККД м'язи становив 0,06%.

Твіст та серпантин

Пояснимо тепер, чому нейлонова спіраль скорочується зі збільшенням температури. Досвід показує, що при нагріванні скорочується і не закручена волосінь з підвішеним вантажем, хоч і не так помітно. Це скорочення пов'язане з анізотропією матеріалу, з якого виготовлена ​​волосінь. Коли розплавлений нейлон пропускається через фільєру, довгі полімерні молекули орієнтуються вздовж волосіні. Навантажені полімерні волокна при нагріванні поводяться як і, як і нитки розтягнутої гуми (Trеloar, 1975) – скорочуються, збільшуючи ентропію системи.

Тепер розглянемо волосінь, закручену до стану, коли вона починає завиватися в спіраль. Як було зазначено, у цьому стані поздовжні волокна лежить на поверхні волосіні завиті приблизно 45° стосовно осі. При нагріванні волосіні закручені волокна скорочуються, що призводить до розкручування волосіні. Для простоти вважатимемо, що й волокна скорочуються на 1%, те й число оборотів, яким розкручується волосінь, становить 1% від повного числа оборотів, яку вона закручена.

Нам залишилося розібратися з тим, як пов'язані між собою скорочення волокон та скорочення спірального м'яза. Розробка простої математичної моделі, що описує цей зв'язок, склала важливу частину нашого розв'язання задачі. У результаті опису скорочення спіралі ми застосували формулу Калугаряну – Уайта – Фуллера (CWF):

яка була доведена в диференціальній геометрії (Călugărеanu, 1959; Whitе, 1969; Fullеr, 1971), а потім знайшла застосування в молекулярній біології при описі надспіралізованих ДНК (Fullеr, 1978; Pohl, 1980).

Число зачеплення Lk (англ. linking numbеr) у цій формулі показує, на скільки обертів нижній кінець волосіні був закручений по відношенню до верхнього. Це число є топологічним інваріантом: воно залишається незмінним при деформаціях спіралі, якщо нижній кінець волосіні не розкручується щодо верхнього.

Формула CWF говорить про те, що число зачеплення можна розкласти на два доданки – Tw ( twisting) та Wr ( writhing), сума яких у нашому експерименті залишається незмінною. Число Tw характеризує закрутку волокон усередині волосіні (первинну); число Wr - зовнішню закрутку самої волосіні (вторинну), коли вона утворює просторову спіраль.

Щоб краще зрозуміти зміст цієї формули, візьміть тонкий пластиковий шнур, проведіть маркером пряму лінію на його поверхні, а потім спірально намотайте цей шнур на шматок товстої труби так, щоб проведена лінія була звернена назовні від труби. Припустимо, що шнур обернуть навколо труби на 5 оборотів. У такому стані внутрішня закрутка волокон шнура Tw = 0, і число зачеплення дорівнює зовнішній закрутці: Lk = Wr = 5. Тепер візьміться за кінці шнура двома руками, зніміть шнур із труби, не рознімаючи рук, і розтягніть його. Шнур витягнувся по прямій, просторові кільця зникли, і тепер його зовнішня закрутка Wr = 0. При цьому шнур виявився перекрученим навколо своєї осі, і число обертів його внутрішньої закрутки дорівнювало числу зачеплення: Tw = Lk = 5.

У згаданих вище математичних роботах було знайдено математичну формулу для обчислення зовнішньої закрутки Wr у загальному випадку. Для рівномірної спіральної закрутки ця формула сильно спрощується (Fullеr, 1978), набуваючи вигляду

Wr = N∙(1 – sin α),

де N– це число витків зовнішньої спіралі, α – кут підйому гвинтової лінії спіралі.

Коли ми закручували в спіраль метрову волосінь, патрон дриля здійснив 360 оборотів до утворення баранчиків (петель) і 180 оборотів після утворення баранчиків; при цьому на кожен обіг виникав новий баранець. Це означає, що внутрішньої закрутки волосіні при утворенні баранчиків вже не відбувалося, так що готовий м'яз характеризувався числами Tw = 360, Wr = 180.

Досвід показує, що незакручена нейлонова волосінь скорочується на 1,1 % при нагріванні від 20 до 80 ° С. Будемо вважати, що це скорочення волокон призводить до зменшення внутрішньої закрутки Tw також на 1,1 %, тобто на 4 обороти. Тим самим зовнішня закрутка Wr збільшується на 4 обороти, тобто на 2,2%. Число витків спіралі Nпри цьому не змінюється, значить на 2,2% збільшується значення виразу (1 - sin α), тобто зменшується величина кута α, за рахунок чого спіраль і стає коротшим. У готовому спіральному м'язі sin α ≈ 0,16, тому збільшення значення (1 – sin α) на 2,2 % призводить до зменшення sin α на 13 %. Саме на стільки й відбувалося скорочення висоти спіралі у нашому експерименті.

Звичайно, прийнята модель досить груба, але вона дає результати, що узгоджуються з експериментом. Її основною перевагою є її простота: замість того, щоб описувати структуру волокон волосіні, ми оперуємо легко підраховуються в досвіді числами Tw, Wr і Lk. Вся грубість моделі полягає в припущенні про те, що відносне зменшення внутрішньої закрутки спіралі дорівнює відносному скороченню волокон незакрученої волосіні при такій зміні температури. Це припущення можна було б перевірити в непрямому експерименті з ліскою, закрученою до такого стану, коли на ній ось-ось почнуть утворюватися баранчики, і зафіксованої в цьому стані за рахунок нагріву до температури, близької до температури плавлення нейлону, та подальшого охолодження.

Література

Călugărеanu G. L’ intégral de Gauss еt l’analysе des noеuds tridimensionnеls // Rev. Math. Purеs Appl. 1959. V. 4. P. 5-20.

Chеrubini A., Moretti G, Vеrtеchy R., Fontana M. Experimental characterization of thermally-activatеd artificial muscles based on coiled nylon fishing lines // AIP Advancеs. 2015. V. 5. Doc. 067158.

Hainеs C. S., Lima M. D., Na Li et 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. США. 1971. V. 68. P. 815-819.

Fullеr F.   B. Decomposition of thе linking numbеr of closed ribbon: A problem from molеcular biology // Proc. Nat. Acad. SCI. США. 1978. V. 75. P. 3557-3561.

Pohl W. F. DNA and differential geometry // Math. Intelligencer. 1980. V. 3. P. 20-27.

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

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

Величезна кількість чоловіків, знаменитих спортсменів, акторів та звичайних робітників, мріють про красиве підтягнуте тіло як з обкладинки журналу. Багато представників сильної статі переконані, що саме такий зовнішній вигляд зробить їх упевненими у собі, адже таке тіло подобається красивим жінкам.
Посперечатись із цим твердженням складно, атлети подобаються більшості жінок. Але як досягти бажаного результату, якщо не хочеться дні і ночі проводити в спортзалі. Здавалося б, ідеальне рішення – штучні м'язи, але насправді все не так просто, будь-яка процедура має свої свідчення та побічні ефекти. Розглянемо кілька видів збільшення м'язів штучним шляхом.

Синтол

Збільшення обсягу м'язів

Імпланти

• Імпланти який завжди приживаються, іноді доводиться знову робити операцію, видаляючи їх;
• Організм може відповісти бурхливою алергічною реакцією на стороннє тіло;
• Після операції може виникнути кровотеча, інфекція, запальний процес у тканинах, нагноєння;
• Якщо хірург недостатньо досвідчений, можуть залишитись помітні рубці;
• Може виникати сильний набряк тканин, який не минає тривалий час.

Якщо людина вирішується на операцію, потрібно обов'язково переконатися, що лікар досить досвідчений, обов'язково пройти обстеження, і не лягати під ніж пластичного хірурга, якщо є протипоказання. Гарним можна стати без ризику для подальшого життя.

Пуш ап

• Насамперед, у пуш-ап накладках дуже жарко, особливо влітку. Такий метод підійде для холодної пори року.
• Накладки непомітні під одягом, але якщо зняти сорочку, таємниця одразу розкриється.
• Штучні м'язи навпомацки не схожі на справжні м'язи.
• Накладки не скорочуються як справжні м'язи, тому при дотику відразу видають себе.
• Коштують вони не дешево, на ці гроші краще придбати абонемент у спортзал та зайнятися своїм здоров'ям та фігурою по-справжньому.

Стероїди

Ще один всім відомий метод швидко і без тренувань наростити м'язи – прийом анаболіків. Здавалося б, такий метод є чудовим рішенням для тих, хто хоче гарне тіло, але лінується тренуватись. При цьому м'язи ростуть по-справжньому, а не опухають як від синтола, всередині немає ніяких сторонніх тіл, як при установці імплантів.
Стероїди-анаболіки підвищують кількість тестостерону в організмі. Таким чином, мозок сприймає себе більш мужнім і починає активно нарощувати м'язову масу, роблячи людину сильнішою та більшою. Мінусом стероїдів і те, що вони викликають звикання, згодом організм перестане виробляти тестостерон самостійно.
Крім того, анаболіки мають побічні ефекти, вони негативно впливають на печінку, пригнічуючи її роботу, порушуючи кровообіг. Як наслідок, в організмі накопичуються шкідливі речовини, тому можуть виникати злоякісні новоутворення. Крім того, при прийомі анаболіків підвищується тиск, рівень холестерину в крові, і, відповідно, ризик серцево-судинних захворювань.

Технології

Найкраще

Найкраще отримати справжні м'язи, регулярно тренуючись і правильно харчуючись. Такий метод не тільки найбезпечніший, але він справді підніме самооцінку, зміцнить тіло, адже, щоб досягти таких висот, потрібно дуже постаратися та довго тренуватися.
Вставити силіконові м'язи, або вживати ліки найпростіше, але хіба це додасть людині впевненості у собі та здоров'я. Досі такі методи вважаються шкідливими, і справжні спортсмени їх не поважають. Найкращий спосіб зробити тіло красивим та підтягнутим – займатися у тренажерному залі.

Збільшення (відео)