Швидкі мікроволоконні приводи успішно імітують людські м'язи
У робототехніці, протезуванні та інших інженерних застосуваннях зазвичай використовуються приводи, що імітують скорочення м'язів тварин. Проте швидкість і ефективність природних м'язових волокон — необхідний критерій. Попри нові розробки в галузі приводних технологій, раніше штучні м'язи були або занадто великими, або занадто повільними, або занадто слабкими.
Група інженерів з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго (UCSD) описала нове штучне мікроволокно з рідкокристалічного еластомеру (LCE), яке відтворює міцність на розрив, швидку реакцію та високу щільність потужності людських м'язів.
«Волокна, здатні викликати осьове стиснення, зазвичай зустрічаються в природі та інженерних застосуваннях. Попри широке застосування волоконних приводів, досі дуже складно виготовити волоконно-оптичні приводи з комбінованою деформацією спрацьовування, високою швидкістю відгуку та високою питомою потужністю», — йдеться у статті дослідників.
«Полімер (LCE) — м'який матеріал і дуже розтяжний. Якщо ми застосовуємо зовнішні подразники, such як світло або тепло, цей матеріал стискається в одному напрямку»
Хоча м'які приводи на основі LCE є поширеними і можуть створювати чудове навантаження для спрацьовування — від 50 до 80% — їхній час відгуку зазвичай дуже повільний. Найпростіший спосіб зробити волокна одночасно чутливими і швидкими — зменшити їхній діаметр. Для цього дослідники UCSD використали метод, який називається електропрядінням, що передбачає викидання розчину полімеру через шприц або фільєру під високою напругою для отримання ультратонких волокон.
Електропрядіння використовується для виготовлення мікромасштабних матеріалів, щоб виробляти мікроволокна діаметром від 10 до 100 мікрометрів. Його відомо за здатність створювати волокна з різною морфологічною структурою, і його зазвичай використовують у різних дослідницьких та комерційних контекстах.
Мікроволокна, виготовлені дослідниками UCSD, мали розмір від 40 до 50 мікрометрів, приблизно як людський волос за товщиною. Вони значно менші за існуючі волокна LCE, деякі з яких можуть мати товщину понад 0,3 мм. Дослідники не були першими, хто використав цю техніку для виготовлення волокон LCE, але вони першими просувають це волокно далі. Учені демонструють, як контролювати спрацьовування волокон і вимірювати характеристики цього спрацьовування.
Як доказ концепції команда сконструювала три різні мікророботизовані пристрої, використовуючи свої електрозарядні волокна LCE: мікропінцет, мікроробота та мікрофлюїдний насос, що живиться від джерела світла. Їхніми приводами можна керувати термоелектричним способом або за допомогою лазера ближнього інфрачервоного діапазону.
Коли матеріал LCE перебуває за кімнатної температури, він знаходиться в нематичній фазі — у цьому стані рідкі кристали розташовані хаотично, усі їхні довгі осі спрямовані по суті в одному напрямку. Під час підвищення температури матеріал переходить до так званої ізотропної фази, в якій його властивості однакові в усіх напрямках, що призводить до стягування волокна.
Результати показали, що деформація при спрацьовуванні становить до 60%, а це означає, що волокно довжиною 10 см скоротиться до 4 см зі швидкістю відгуку менше 0,2 с і питомою потужністю 400 Вт на кг. Це порівнянно з м'язовими волокнами людини.
Дослідники зазначають, що м'який привод з електричним керуванням дозволяє легко інтегрувати його з недорогими електронними пристроями, що є перевагою для мікророботичних систем і пристроїв. Електропрядіння також є дуже ефективним методом виготовлення. За словами вчених, 10 000 волокон можна отримати за 15 хвилин. Проте є низка проблем, які ще належить вирішити.
«Єдиним обмеженням цієї роботи є те, що коли ми впливаємо на мікроволокно LCE теплом або світлом, ефективність використання енергії дуже мала — менш ніж 1%. Тож у майбутній роботі ми можемо подумати про те, як активувати спрацьовування більш енергоефективним способом»
Ще одне обмеження полягає в тому, що нематично-ізотропний фазовий перехід у матеріалі LCE, отриманому методом електропрядіння, відбувається за дуже високої температури — понад 90 градусів Цельсія. Тож неможливо безпосередньо ввести волокно в тіло людини, температура якого становить 35 градусів Цельсія. Одним зі способів вирішення цієї проблеми може бути використання рідкого кристала іншого типу.
У своїй роботі вчені використовували RM 257 як рідкий кристал, але вони можуть замінити його на інший тип, щоб знизити температуру фазового переходу. Дослідники з оптимізмом дивляться на можливості розширення досліджень у галузі електропрядених приводів з мікроволокна LCE.
«Ми також продемонстрували, що можемо розташувати кілька волокон LCE паралельно і активувати їх одночасно для збільшення вихідної сили. Це майбутня робота, в ході якої ми спробуємо з'ясувати, чи можливо об'єднати їхні пучки м'язових волокон у біомедичну тканину»
