Силиконовые мышцы у мужчин. Силиконовые формы идеального тела. Искусственная мышца: Всё гениальное – просто
Ученые давно занимаются разработкой искусственных мышц и в зависимости от того, в какой сфере они работают. Так, в сфере робототехники давно и довольно долго используются мягкие электростатические двигатели, а вот биомедики из университета Дюка смогли вырастить мышечные ткани, обладающие гибкостью, эластичностью и силой мышц естественного происхождения.
Однако биомедики и раньше создавали подобные вещи, но новая разработка ученых оказалась наиболее интересной. Все дело в том, что у инженеров-биомедиков получилось создать мышцы, которые после имплантации в организмы могут регенерировать в случае повреждения.
Работу в данной сфере исследователи начали много лет назад, однако даже сейчас продолжают сталкиваться с различными проблемами. Одной из проблем является тот факт, что вырастить мышечную ткань довольно легко, однако наделить всеми характеристиками настоящей мышечной ткани или превзойти ее, гораздо сложнее.
«Созданные нами в области изготовления различных искусственных тканей. Это первый искусственный мускул, который обладает силой и прочими характеристиками мускула естественного происхождения, который способен к самостоятельной регенерации и который можно трансплантировать практически любым видам живых существ» — Ненанд Берсэк, исследователь из университета Дюка
Используя новую методику разработанную учеными университета, инженерам удалось получить упорядоченные в одном направлении волокна выращиваемой ткани, именно это и дает новым мышцам их силу и эластичность. Более того, в процессе выращивания волокон ткани, биомедики оставили пустые промежутки между ними и между ними поместили мышечные стволовые клетки. Таким образом, при получении повреждений, стволовые клетки превращаются в клетки ткани и ткань восстанавливается. Интересно еще и то, что процесс регенерации активируется еще и в случае повреждения тканей токсинами.
Что бы проверить работоспособность искусственных мышц, ученые поместили их в стеклянную оболочку, вживленную в спину подопытного животного. Стоит отметить, что перед началом проверки, ученые модифицировали мускулы на генном уровне для возможности производить вспышки флуоресцентного света при их сокращении. По прошествии двух недель исследователи производили регистрацию излучаемого света и выяснили, что вспышки света увеличили интенсивность и стали сильнее, параллельно с тем, как мышца обретала силу.
На данный момент исследователи изучают проблему использования искусственных мышечных тканей для поврежденных в результате травм или болезней мышц людей или животных. Специалисты надеются, что уже в ближайшем будущем подобную технологию можно будет использовать не только для восстановления повреждения мышечной ткани человека, но и для возможности восстановить силу и подвижность деградировавшую мускулатуру людей, которые в этом будут нуждаться.
Исследователи из Колумбийского университета в Нью-Йорке изобрели искусственные мышцы, способные поднимать грузы в тысячи раз тяжелее собственной массы. Методика изготовления настолько проста, а материалы настолько доступны, что заняться конструированием мягкой робототехники может любой желающий, особенно если в наличии имеется 3D-принтер.
Несмотря на сногсшибательные успехи , до настоящих «терминаторов» человечеству еще далеко. Алгоритмы постоянно совершенствуются, машины становятся все умнее – настолько, что искусственного интеллекта начинает побаиваться даже Илон Маск. А вдруг Теодор Качинский был прав? Но вот «железо» развивается куда более медленными темпами, чем «софт». Механические, пневматические и гидравлические актуаторы слишком сложны, да и зачастую ненадежны, материалы с эффектом памяти формы дороги и неэффективны, а электроактивные полимеры требуют относительно высоких энергетических затрат. Чем же приводить в движение андроидов будущего?
Свой вариант предложил доктор наук Аслан Мирийев, научный сотрудник лаборатории Creative Machines при Колумбийском университете. Идея заключается в изготовлении искусственных мышц из силиконовых эластомеров, насыщенных обычным питьевым спиртом. Этиловый спирт (хотя необязательно этиловый) играет ключевую роль, так как расширение и сокращение мышц происходит в результате перехода микрокапель этанола из жидкой фазы в газообразную и обратно. Достигается это за счет нагревания и охлаждения: испарение пойманного в силиконе спирта приводит к росту давления и, соответственно, расширению эластомерной конструкции.
Необходимая температура задается пронизывающим мышцу линейным или спиральным электрическим нагревательным элементом. При использовании этанола максимальный эффект достигается продолжительным нагреванием чуть выше точки кипения в 78,4°С. Насколько выше, зависит от состава используемого материала, ведь силикон будет сопротивляться расширению, а чем выше плотность материала, тем выше давление и температура кипения спирта. В своих опытах Аслан остановился на материале с 20-процентным содержанием этанола, как на оптимальном. Изготавливается смесь простым смешиванием силикона и этанола в необходимых пропорциях до равномерного распределения микропузырьков спирта. Затем смесь можно использовать для литья в формы или аддитивного производства методом робокастинга, то есть экструзионной 3D-печати, но без нагревания. Например, шприцевым экструдером. В ходе экспериментов искусственные мышцы продемонстрировали способность увеличиваться в объеме на 900% и выдерживать многократные нагрузки. Так, шестиграммовый образец тридцать раз подряд поднимал и опускал груз массой около шести килограммов, то есть в тысячу раз больше собственной! Максимальные же показатели и того выше: двухграммовый мускул осилил нагрузку в 12 кг, хотя и на пределе возможностей.
Пока все замечательно, но ведь мышцы должны сокращаться, а не расширяться? Ничего страшного. Рабочий вектор можно задавать оболочками, сдерживающими расширение в заданной плоскости. Например, бицепсы и трицепсы на иллюстрации выше заключены в сетку фиксированной длины, прикрепленную концами к плечу и предплечью. Диаметральное расширение приводит к продольному сокращению, как это происходит с настоящими мускулами. В этом примере использовались 13-граммовые мышцы, способные поднимать вес до одного килограмма при нагревании спиральным элементом из нихромовой проволоки под напряжением 30В с силой тока в 1,5А. Изгиб же можно задавать с помощью «пассивных» слоев из гибких материалов с относительно высоким сопротивлением на растяжение, наносимых на «внутреннюю» сторону деформируемого актуатора, как в примере с захватом на иллюстрации ниже.
Лабораторная стоимость изготовления таких мышц в пересчете на грамм не превышала трех центов. Для печати опытных конструкций из термопластов использовались настольные FDM 3D-принтеры Ultimaker, Ultimaker 2+ и Stratasys uPrint, тогда как печать непосредственно искусственных мышц осуществлялась на самодельном двухэкструдерном 3D-принтере, оснащенном шприцевыми головками. С полным докладом можно ознакомиться по этой ссылке .
А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру!.
Искусственная мышца является общим термином, используемым для исполнительных механизмов, материалов или устройств, которые имитируют естественную мышцу и может обратимо контракт, расширяющие или вращают в течение одного компонента из - за внешний стимул (например, как напряжение, ток, давление или температура). Три основные реакции приведения в действии - сокращение, расширение, и вращение - могут быть объединены вместе в едином компоненте для производства других типов движений (например, изгиб, стягивание одну стороны материала, расширяя другую сторону). Обычные двигатели и пневматические линейные или поворотные приводы не квалифицируются как искусственные мышцы, потому что есть более чем один компонент участвует в приведении.
Благодаря высокой гибкости, универсальность и мощности к весу по сравнению с традиционными жесткими приводами, искусственные мышцы имеют потенциал, чтобы быть весьма разрушительной новой технологией . Хотя в настоящее время ограниченное применение, технология может иметь широкое применение в будущем в промышленности, медицине, робототехнике и многих других областях.
Сравнение с естественными мышцами
Хотя нет никакой общей теории, которая позволяет приводы можно сравнить, есть «критерии мощности» для технологий искусственных мышц, которые позволяют спецификацию новых технологий привода в сравнении с естественными мышечными свойствами. Таким образом, критерии включают стресс , напряжение , скорость деформации , жизненный цикл, и модуль упругости . Некоторые авторы рассматривают другие критерии (Huber и др., 1997), такой как плотность привода и разрешение деформации. По состоянию на 2014 год, самые мощные искусственные мышечные волокна в существовании могут предложить сторицей увеличение мощности по эквивалентной длине естественных мышечных волокон.
Исследователи измеряют скорость, плотность энергии , мощность и эффективность искусственных мышц; не один типа искусственной мышцы является лучшим во всех областях.
Типы
Искусственные мышцы можно разделить на три основные группы в зависимости от их механизма приведения в действие.
Электрическое поле приведения в действие
Электроактивные полимеры (ППМ) представляют собой полимеры, которые могут быть приведены в действие посредством применения электрических полей. В настоящее время наиболее известные включают в себя пьезоэлектрические EAPs полимеров, диэлектрические приводы (Deas), электрострикционные привитые эластомеры , жидкие кристаллические эластомеры (LCE) и сегнетоэлектрических полимеров. Хотя эти EAPs можно согнуть, их низкая пропускная способность для движения крутящего момента в настоящее время ограничивает их полезность в качестве искусственных мышц. Более того, без принятого стандартного материала для создания устройств EAP, коммерциализация остается непрактичной. Однако, значительный прогресс был достигнут в технологии EAP с 1990 года.
Ion на основе приведения в действие
Ионные ППМ представляют собой полимеры, которые могут быть приведены в действие посредством диффузии ионов в растворе электролита (в дополнение к применению электрических полей). Текущие примеры ионных электроактивных полимеров включают polyelectrode гели, иономерный полимер, металлический композиционные материалы (IPMC), проводящие полимеры и электрореологические жидкости (ERF). В 2011 году было показано, что скрученные углеродные нанотрубки также может быть приведен в действие путем приложения электрического поля.
Электрическая мощность приведения в действие
Химический контроль
Хемомеханических полимеры, содержащие группы, которые являются либо рН-чувствительных или служить в качестве селективного сайт распознавания для конкретных химических соединений могут служить в качестве исполнительных механизмов и датчиков. Соответствующие гели набухать или сжиматься обратимо в ответ на такие химические сигналы. Большое разнообразие элементов supramolulecular распознавания может быть введено в геле - образующей полимеры, которые могут связываться и использовать в качестве инициатора ионов металлов, различных анионов, аминокислот, углеводов и т.д. Некоторые из этих полимеров обладают механическим ответом только тогда, когда две различными химическими веществ или инициаторы присутствует, выполняя таким образом, как логические ворота. Такие полимеры хемомеханические перспективны также для [[адресной доставки лекарств | целевая доставка лекарств ]]. Полимеры, содержащие легкие поглощающие элементы могут служить в качестве фотохимический управляемых искусственных мышц.
Приложения
Искусственные технологии мышца имеют широкие возможности применения в биомиметических машинах, в том числе роботов, промышленные приводов и экзоскелетов . EAP на основе искусственных мышц предлагают сочетание легкого веса, низким энергопотреблением, устойчивость и маневренность для передвижения и манипуляции. Будущие устройства EAP будут иметь применение в аэрокосмической, автомобильной промышленности, медицине, робототехнике, механизмы артикуляции, развлечения, анимация, игрушки, одежда, тактильных и тактильных интерфейсов, контроля уровня шума, датчиков, генераторов и интеллектуальных структур.
Пневматические искусственные мышцы также обеспечивают большую гибкость, управляемость и легкость по сравнению с обычными пневматическими цилиндрами. Большинство приложений PAM предполагают использование McKibben подобных мышц. Тепловые исполнительные механизмы, такие как СМА имеют различную военную, медицинскую, безопасность и роботизированных приложений, и может, кроме того, можно использовать для получения энергии за счет механических изменений формы.
Учёные представили инновационные искусственные мышцы, которые в сто раз сильнее человеческих. Три независимые группы исследователей разработали собственные варианты, различающиеся материалами и сферами применения.
Getty Images
Все синтетические мышцы имеют общую черту – как правило, они представляют собой упругие волокна, которые растягиваются и сокращаются, как и их природный аналог. Пионером в разработке искусственных мышц признан Рэй Боуман, директор . На первых этапах исследования Боуман и его команда работали с самыми привычными материалами, которые можно найти в любом доме – нитками для шитья и леской. Они стремились доказать и наглядно продемонстрировать, что даже базовые материалы могут образовать подобные мышцам структуры. В ходе лабораторных испытаний техасцы пришли к наилучшим, на их взгляд, материалам для формирования волокон искусственных мышц – шёлку и бамбуку.
UT Dallas
Учёные также разработали специальную оболочку, которая реагирует на электрохимические и температурные колебания. Покрытые этой оболочкой волокна сокращаются и двигаются подобно тому, как двигаются человеческие мышцы под воздействием внешних раздражителей. Подобный вариант синтетических мышц может найти применение в производстве умной одежды. Например, помещённые внутрь ткани мышечные волокна могут автоматически расширять «поры» материала в ответ на повышенную влажность или повышение температуры тела.
Science | AAAS
Исследователи из Университета Бордо разработали собственный вариант искусственной мышцы из эластичного полимера и графена. Их синтетическая мышца напоминает высокотехнологичный аналог резиновой ленты, используемой в резиномоторных авиамоделях. Главный научный сотрудник проекта Джинкай Юань и его коллеги постарались над тем, чтобы эту «резинку» не приходилось скручивать после каждого растяжения: комбинация графена и полимера в составе волокна позволяет создать «эффект памяти». Эластичный полимер может растягиваться и сжиматься, но контроль степени сокращения происходит через проводящий ток графеновый слой. Юань предполагает, что подобный концепт имеет потенциал в медицине, например, такие волокна можно использовать для управления работой миниатюрных клапанов внутри медицинских приборов.
Science | AAAS
Science | AAAS
В отличие от графеново-полимерных волокон, которые приводятся в движение при помощи электричества, принцип действия синтетических мышц, разработанных учёными из Массачусетского Технологического Института гораздо ближе к человеческим. Команда МТИ во главе с Мехметом Каником представила волокна из полиэтилена высокой плотности и эластомера. При нагревании тепло распространяется по волокнам равномерно, но из-за разницы коэффициентов теплового расширения один из полимеров быстро сокращается, а второй удерживает его от хаотичного сжатия, заставляя завиваться в виде спирали. Вдохновением для исследователей послужили растительные побеги-усики огурцов, которые сокращаются, регулируя давление в клетках. Сокращение волокна происходит даже при незначительных колебаниях температуры, потому материал не страдает от резких перепадов температуры и не теряет свои свойства даже после десяти тысяч циклов сжатия. При этом такая искусственная мышца может поднимать грузы, масса которых в 650 раз превышает её собственный.
Mehmet Kanik and Sirma Orguc / Massachusetts Institute of Technology
В ходе лабораторных тестов специалисты экспериментировали с различными температурами: при нагревании волокна на 14°C общая длина нитей сократилась на 50%. Кроме того, исследователи попытались использовать синтетические мышцы для управления маленькой роботической рукой. Разогревая и охлаждая волокна они заставляли руку поднимать и перемещать небольшие грузы. Более того, изменяя расположение и соотношение нитей из разных материалов внутри полотна, учёные смогли управлять направлением движения. Силу сокращений также можно регулировать, изменяя пропорции и диаметр нитей исходных полимеров.
Polina Anikeeva (MIT)
Science | AAAS
На данном этапе работ искусственные мышцы значительно уступают настоящим в плане эффективности их работы. Сегодня даже самые совершенные синтетические мышечные волокна преобразовывают в полезную работу не больше 3-5% затраченной энергии, оставшаяся энергия теряется в виде тепла. Если инженеры и биотехники преуспеют в устранении потерь энергии, возможности применения синтетических мышц будут безграничными: начиная от умной одежды и протезов до робототехники и экзоскелетов.
Искусственные мышцы хороши тем, что не содержат внутренних подвижных элементов. Это еще одна, довольно радикальная, альтернатива электродвигателям и пневматике с гидравликой. Существующие сегодня образцы представляют собой либо полимеры, чувствительные к напряжению или температуре, либо сплавы с памятью формы. Для первых требуется довольно высокое напряжение, вторые же имеют ограниченный диапазон движения и к тому же весьма дороги. Для создания мягких роботов используют и сжатый воздух, но это подразумевает наличие насосов и усложняет конструкцию. Чтобы сделать искусственные мышцы, мы обратились к рецепту ученых из Колумбийского университета, которым удалось соединить в одной конструкции высокую мощность, легкость, эластичность и потрясающую простоту. Мышцы представляют собой обычный мягкий силикон, в который заранее вводятся пузырьки спирта. При нагревании нихромовой спиралью спирт внутри них начинает кипеть, и силикон сильно разбухает. Однако если поместить все это в жесткую оплетку с перпендикулярным переплетением нитей, то разбухание превратится в обычное сокращение — примерно так же работают пневматические двигатели Маккиббена.
Поскольку силикон плохо проводит тепло, важно не подавать на спираль слишком большую мощность, иначе полимер начинает дымить. Это, конечно, выглядит эффектно и почти не мешает работе, но в конце концов может привести к пожару. Малая мощность тоже нехороша, так как время сокращения тогда может затянуться. В любом случае в конструкции не будут лишними ограничительный термосенсор и ШИМ-регулятор.
Методы
Силиконовые мышцы удивительно просты по конструкции, и при работе с ними реально столкнуться только с двумя проблемами: подбором мощности и созданием достаточно удобных форм для заливки.
Заливочные формы удобно делать из прозрачных пластиковых листов. Только учитывайте, что механизм крепления спирали внутри полимера следует продумывать заранее: после заливки будет поздно.
И материалы
Мягкий силикон для создания мышц можно приобрести в магазинах, где продаются товары для творчества. Оплетка нужного плетения обычно используется для организации и проводки кабелей, искать ее следует у электриков. Самые большие сложности возникают с 96-процентным этанолом, который в России купить сложнее, чем танк. Впрочем, его вполне можно заменить изопропанолом.
«Популярная Механика» выражает благодарность Магазину скелетов за помощь в проведении съемок.
