Пропитанные гидрогелем спирали превратили в искусственные мышцы
Австралийские инженеры разработали искусственные мышечные волокна, принцип работы которых имитирует возможности молекул ДНК многократно скручиваться в спирали, значительно уменьшая свои размеры. Мышцы состоят из закрученных пар полиэфирных нитей с применением гидрогеля, который при изменении величины pH окружающей среды способен набухать, что приводит к увеличению объема нитей и, при зафиксированных концах, к дальнейшему их скручиванию в петли и сокращению мышечной нити. Эксперименты показали, что новые искусственные мышечные волокна способны сокращаться на 90 процентов от исходной длины и превосходят мышцы млекопитающих более чем в 30 раз по величине производимой работы на единицу массы. Авторы надеются, что в будущем их разработка пригодится при создании микророботов и микроинструментов, например для выполнения малоинвазивных хирургических операций. Статья опубликована в журнале Science Robotics.
Стремление инженеров к миниатюризации роботов особенно актуально в области медицины, так как уменьшение размеров инструментов, используемых для выполнения медицинских процедур и хирургических операций может уменьшить нежелательное воздействие на организм пациента. Однако традиционно используемые типы актуаторов, например электромоторы, накладывают ограничение на минимальный размер микроинструментов, так как их трудно сделать достаточно маленькими без потери производительности. В качестве альтернативы инженеры разрабатывают актуаторы, имитирующие работу мышц животных, и которые могут даже в малых масштабах сохранять высокую эффективность. В последние годы стала набирать популярность технология изготовления искусственных мышц из синтетических нитей.
Инженеры из австралийского Университета Вуллонгонг под руководством Джеффри Спинкса (Geoffrey Spinks) создали прототип искусственных мышц, для которых также используются синтетические скрученные нити. В основу работы лег принцип скручивания, который наблюдается в молекулах ДНК, и который, как считают авторы разработки, позволит искусственным мышцам совершать большую работу на единицу массы, чем обычные скелетные мышцы млекопитающих.
Известно, что полимерные молекулы ДНК могут значительно изменять свои размеры. Молекулы длиной десятки сантиметров способны упаковываться в клеточных структурах микрометрового масштаба за счет явления сверхспирализации, в результате которого двойные спирали ДНК закручиваются в спиралевидные структуры более высокого порядка. При этом свободное вращение концов молекулы затруднено: либо они крепятся к другим структурам, либо соединяются, образуя кольцевую молекулу. Аналогичное явление сверхспирализации можно наблюдать и в поведении любых закрученных нитей при условии закрепленных концов.
Для создания искусственных мышц с возможностью сверхспирализации инженеры используют швейные нити из полиэстра, пропитывая их гидрогелем на основе полиакриловой кислоты, степень набухания которого зависит от уровня pH окружающей мышечное волокно среды. После этого нити скручиваются вместе с помощью электромотора с подсчетом числа оборотов и отжигаются в печи для закрепления. Более тонкие композитные нити, состоящие из смеси волокон полиакрилонитрила и полиакриловой кислоты, получают методом электроспининга.
Для того чтобы заставить суперспиральные искусственные мышцы сократиться, необходимо увеличить величину pH среды в которой они находятся. Для этого испытываемые образцы помещают в воду или в раствор гидроксида натрия. Чтобы вернуться в исходное состояние используют раствор соляной кислоты. При повышении уровня pH окружающей среды гидрогель набухает, увеличивая объем нитей, которые стремятся раскрутиться. Однако, так как концы спирали зафиксированы и не могут свободно вращаться, это приводит образованию на нитях супервитков и сжатию искусственной мышцы. Уменьшение же уровня водородного показателя pH окружающей среды приводит к уменьшению объема нити, раскручиванию суперспиралей и возвращению к исходному состоянию.
Инженерам удалось добиться сокращения искусственных мышечных волокон на величину до 90 процентов от их начальной длины. В процессе сокращения волокна способны совершить работу эквивалентную выделению одного джоуля энергии на грамм сухого волокна. Для сравнения мышцы млекопитающих способны сокращаться лишь примерно на 20 процентов от их первоначальной длины и производят работу около 0.03 джоулей на грамм.
Скорость сверхспирализации и сокращения нити при химическом методе активации оказалась довольно низкой и неравномерной. Сокращение до 66 процентов происходит за несколько минут, тогда как на полное сжатие может потребоваться больше 10 минут. Однако этот параметр зависит от толщины мышечных волокон и, по словам авторов, может быть улучшен заменой одной толстой нити на нескольких нитей с меньшим диаметром.
Для демонстрации возможностей применения своего изобретения инженеры создали два прототипа микрохирургических инструментов: ножницы и пинцет, корпуса которых изготовлены с помощью 3D печати. Авторы работы надеются, что в будущем им удастся расширить область применения искусственных мышц со сверхспиральным скручиванием. Для этого понадобится повысить скорость реакции мышц и заменить текущий химический способ активации волокон на более практичный и быстрый, например электротермический.
Инженеры часто заимствуют для своих разработок идеи из природы. Например, разработчики из Нидерландов создали прототип инструмента для малоинвазивной хирургии и биопсии, который имитирует работу яйцеклада ос-наездников.
Андрей Фокин
А также летать, ездить и самостоятельно прокладывать маршрут
Инженеры разработали робота-трансформера под названием Morphobot M4, который может ездить как четырехколесный ровер, летать как квадрокоптер, ходить как четвероногий робот и стоять вертикально, балансируя на двух ногах-колесах. Кроме того он способен комбинировать эти режимы, чтобы преодолевать встречающиеся на пути препятствия. Робот оснащен автономной системой навигации и может самостоятельно прокладывать маршрут, выбирая подходящий режим передвижения. Благодаря таким возможностям Morphobot сможет применяться для широкого спектра задач, оптимально расходуя энергию. Статья опубликована в журнале Nature Communications. Большинство из существующих сегодня типов роботов не универсальны и не могут передвигаться в любых условиях одинаково эффективно. К примеру, мультикоптеры тратят много энергии в полете и поэтому могут находиться в воздухе непродолжительное время, а колесные и ходячие роботы обладают более высокой энергоэффективностью, но ограничены передвижением по относительно ровной поверхности. Инженеры пытаются обойти эти ограничения через создание гибридных конструкций. Например, американские инженеры совместили квадрокоптер с ходячим двуногим роботом, а разработчики из Кореи собрали гибрид коптера с колесным ровером. Большинство подобных проектов объединяет один недостаток: часть конструкции робота, предназначенная для передвижения в одной среде, никак не используется при движении в другой, выступая лишь в качестве пассивного груза. Инженеры под руководством Мортезы Гариба (Morteza Gharib) из Калифорнийского технологического института решили создать гибридного робота, все части конструкции которого принимают участие в разных типах движения. В результате у них получился робот-трансформер Morphobot M4, который представляет собой гибрид квадрокоптера и четырехколесного робота. Его масса около шести килограмм, а многие детали выполнены из углеволокна и с помощью 3D-печати. В режиме колесного ровера длина робота составляет 0,7 метра, а ширина и высота 0,35 метра. Четыре колеса робота диаметром 0,25 метра расположены на концах балок, которые играют роль подвижных конечностей. Они могут отклоняться сервомоторами в двух направлениях продольно и перпендикулярно в сторону от корпуса. Колеса приводятся в движение отдельными электромоторами. При трансформации в квадрокоптер обода выступают в роли защитных бамперов для воздушных винтов, расположенных внутри колес с электромоторами в осях, а четыре конечности робота разворачиваются, направляя плоскости пропеллеров параллельно поверхности земли. Корпус робота в этом режиме поддерживается расположенными снизу посадочными опорами. Суммарная тяга всех четырех винтов составляет около девяти килограмм. Morphobot может комбинировать два основных режима, например, для того чтобы преодолевать препятствия, которые он не может переехать. Для этого роторы в одной части робота разворачиваются в полетный режим, а вторая пара конечностей продолжает опираться на колеса. Таким образом робот может забираться на крутые склоны с наклоном больше 45 градусов, затрачивая меньше энергии, чем при полноценном полете в режиме квадрокоптера. Также используя пару винтов только с одной стороны М4 может принять вертикальное положение, балансируя на двух колесах, напоминая при этом двуногий ходячий робот. В режиме ровера М4 может регулировать высоту корпуса относительно поверхности, выдвигая конечности с колесами вперед и назад. Это может пригодиться для преодоления препятствий с ограничением по высоте. Робот также может ходить как четвероногий, перебирая конечностями с колесами как ногами, это может пригодится для преодоления неровностей на пути. Помимо этого, М4 способен использовать конечности с колесами в роли манипуляторов, ухватывая и удерживая предметы с помощью колесных ободов. В качестве примера разработчики продемонстрировали, как робот удерживает таким образом небольшой шар, балансируя при этом на двух колесах в вертикальном положении. Morphobot может передвигаться автономно, трансформируясь в наиболее подходящий в текущей ситуации режим. Для низкоуровневого управления используются два отдельных микроконтроллера, которые отвечают за движения колес и конечностей в режиме ровера и за полет в режиме коптера. Навигация и планирование маршрута происходят с помощью компьютера Jetson Nano, который использует данные об окружении, поступающие со стереокамеры Intel RealSense. На борту также есть инерционный измерительный модуль, средства беспроводной коммуникации для удаленного управления и батарея емкостью 4000 миллиампер-час. https://www.youtube.com/watch?v=S4eQXXxUnNE По словам разработчиков, такие способности позволят использовать подобных роботов-трансформеров для широкого спектра задач, например, для поиска и спасения людей во время стихийных бедствий, или в качестве робота для исследования космоса. Ранее мы рассказывали о другом дроне-трансформере с необычной конструкцией под названием DRAGON, которого построили японские инженеры. Он состоит из нескольких сегментов, может менять форму прямо в полете, захватывать предметы, огибая их с двух сторон и поворачивать вентили.