Быстрые приводы из микроволокна успешно имитируют человеческие мышцы
В робототехнике, протезировании и других инженерных применениях обычно используются приводы, имитирующие сокращение мышц животных. Тем не менее, скорость и эффективность естественных мышечных волокон — требуемый критерий. Несмотря на новые разработки в области приводных технологий, в прошлом искусственные мышцы были либо слишком большими, либо слишком медленными, либо слишком слабыми.
Группа инженеров из Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD) описала новое искусственное микроволокно из жидкокристаллического эластомера (LCE), которое воспроизводит прочность в разрывах, быструю реакцию и высокую плотность мощности человеческих мышц.
«Волокна, способные вызывать осевое сжатие, обычно встречаются в природе и инженерных применениях. Несмотря на широкое применение волоконных приводов, по прежнему очень сложно изготовить волоконно-оптические приводы с комбинированой деформацией срабатывания, высокой скоростью отклика и высокой удельной мощностью», — говорится в статье исследователей.
«Полимер (LCE) — мягкий материал и очень растяжимый. Если мы применяем внешние раздражители, такие как свет или тепло, этот материал сжимается в одном направлении»
Хотя мягкие приводы на основе LCE являются обычным явлением и могут создавать отличную нагрузку для срабатывания — от 50 до 80% — их время отклика обычно очень медленное. Самый простой способ сделать волокна одновременно отзывчивыми и быстрыми — уменьшить их диаметр. Для этого исследователи UCSD использовали метод, называемый электропрядением, который включает выброс раствора полимера через шприц или фильеру под высоким напряжением для получения ультратонких волокон.
Электропрядение используется для изготовления мелкомасштабных материалов, чтобы производить микроволокна диаметром от 10 до 100 микрометров. Оно известно своей способностью создавать волокна с различной морфологической структурой и обычно используется в различных исследовательских и коммерческих контекстах.
Микроволокна, изготовленные исследователями UCSD, получились размером от 40 до 50 микрометров, примерно шириной с человеческий волос. Они намного меньше существующих волокон LCE, некоторые из которых могут иметь толщину более 0,3 мм. Исследователи не первые, кто использовал эту технику для изготовления волокон LCE, но они первые, кто продвигает это волокно дальше. Ученые демонстрируют, как контролировать срабатывание волокон и измерять характеристики этого срабатывания.
В качестве доказательства концепции команда сконструировала три различные микророботические устройства, используя свои электрозарядные волокна LCE: микропинцет, микроробота и микрофлюидный насос с питанием от источника света. Их приводами можно управлять термоэлектрическим способом или с помощью лазера ближнего инфракрасного диапазона.
Когда материал LCE находится при комнатной температуре, он находится в нематической фазе — в этом состоянии жидкие кристаллы расположены случайным образом, все их длинные оси направлены по существу в одном направлении. При повышении температуры материал переходит в так называемую изотропную фазу, в которой его свойства одинаковы во всех направлениях, что приводит к стяжению волокна.
Результаты показали, что деформация при срабатывании составляет до 60%, а это означает, что волокно длиной 10 см сократится до 4 см со скоростью отклика менее 0,2 с и удельной мощностью 400 Вт на кг. Это сопоставимо с мышечными волокнами человека.
Исследователи отмечают, что мягкий привод с электрическим управлением позволяет легко интегрировать его с недорогими электронными устройствами, что является плюсом для микророботических систем и устройств. Электропрядение также является очень эффективным методом изготовления. По словам ученых, 10 000 волокон можно получить за 15 минут. Тем не менее, есть ряд проблем, которые еще предстоит решить.
«Единственным ограничением этой работы является то, когда мы воздействуем на микроволокно LCE теплом или светом, эффективность использования энергии очень мала — менее 1%. Итак, в будущей работе мы можем подумать о том, как активировать срабатывание более энергоэффективным способом»
Еще одно ограничение заключается в том, что нематически-изотропный фазовый переход в материале LCE, полученном методом электропряжения, происходит при очень высокой температуре — более 90 градусов по Цельсию. Таким образом, невозможно напрямую ввести волокно в тело человека, температура которого составляет 35 градусов по Цельсию. Одним из способов решения этой проблемы может быть использование жидкого кристалла другого типа.
В своей работе ученые использовали RM 257 в качестве жидкого кристалла, но они могут изменить его на другой тип для снижения температуры фазового перехода. Исследователи с оптимизмом смотрят на возможности расширения исследований в области электропряженных приводов из микроволокна LCE.
«Мы также продемонстрировали, что мы можем расположить несколько волокон LCE параллельно и активировать их одновременно для увеличения выходной силы. Это будущая работа, в которой мы попытаемся выяснить, возможно ли объединить их пучки мышечных волокон в биомедицинскую ткань»
