Рыболовную леску превратили в нейлоновые искусственные мышцы

Ученые из Массачусетского технологического института разработали технологию получения сгибающихся актуаторов из нейлона. Статья опубликована в Advanced materials.

Традиционные электродвигатели и гидравлика — достаточно сложные и громоздкие системы, поэтому в современной робототехнике идут разработки в области искусственных мышц, которые позволяют уменьшить размер актуаторов, а также упрощают создание мягких роботов для медицинских целей. Существующие искусственные мышцы на основе различных полимеров, как правило, могут сокращаться, но, в отличие от настоящих мышечных волокон, не могут сгибаться. При этом искусственные мышцы с нужными характеристиками на данный момент могут быть достаточно дорогими и сложными в производстве — например, мышцы из углеродных нанотрубок. Поиск новых решений нередко позволяет упростить или удешевить конструкцию используемых актуаторов.

Авторы работы обратили внимание на тот факт, что обычный ориентированный нейлон, используемый, например, для производства рыболовной лески, ведет себя при нагреве как мышечные волокна: нить сокращается и увеличивается в диаметре. Ранее исследователи уже экспериментировали с линейными актуаторами на основе нейлона, однако такие волокна искусственных мышц только растягивались или сокращались. 

В новой работе исследователи смогли создать нейлоновый актуатор, который не только растягивается, но и сгибается в разных направлениях. Для этого ученые использовали ориентированный нейлон в нитях с прямоугольным сечением, которые получили, спрессовав обычную рыболовную леску. При точечном нагреве актуатор с квадратным сечением сокращается с одной стороны стороны быстрее, чем с других, поэтому сгибается в нужную сторону. 

Проведенные эксперименты показали, что такой нейлоновый актуатор может выдержать до 100 тысяч циклов сгибания (упоминавшиеся выше углеродные нанотрубки выдерживают менее тысячи циклов) и способен сгибаться и разгибаться с частотой до 17 циклов в секунду. При этом для нагрева можно использовать лазер или, например, нагревающуюся токопроводящую краску с графеном, нанесенную на нужные участки искусственных мышц, что позволяет использовать волокна даже для сложных движений, включающих в себя сгибание в разные стороны.

Существуют и другие материалы, позволяющие создать искусственные мышцы. Например, исследователи из Национального университета Тайваня создали искусственные мышцы на основе эпидермиса лука, покрытого золотом. При проектировании достаточно больших роботов для получения нужных характеристик можно использовать более сложные решения: пневматические многоволоконные или ячеистые искусственные мышцы.

Николай Воронцов