Искусственные мышцы

Но есть и совершенно неброские на 1-ый взор идеи, последствия внедрения которых могут привести к чуть ли менее конструктивным переменам в ежедневной жизни. Самый наилучший пример — «мускульная ткань», показавшаяся в умопомрачительной литературе только тогда, когда в лабораториях уже полным ходом шли работы по созданию железных и полимерных искусственных мускул, в том числе и для человечьих протезов.

В современной технике в главном употребляются два действенных метода совершения механической работы: термодинамический и электрический. 1-ый основан на использовании энергии сжатого газа, как в движках внутреннего сгорания, паровых турбинах и огнестрельном оружии. Во 2-м задействованы магнитные поля, создаваемые электронными токами, — так работают электромоторы и электромагниты. Но в живой природе для получения механического движения употребляется совсем другой подход — управляемое изменение формы объектов. Конкретно так работают мускулы человека и других живых созданий. При поступлении нервного импульса в их запускаются хим реакции, которые приводят к сокращению либо, напротив, к растяжению мышечных волокон.

Достоинства такового «природного» привода связаны с тем, что материал изменяется как целое. Это означает, что в нем нет передвигающихся друг относительно друга, а как следует, трущихся и изнашивающихся частей. Не считая того, сохраняется целостность организма (либо, вернее сказать, его геометрическая связность). Движение появляется на молекулярном, либо, как стильно сейчас гласить, наноуровне за счет маленького сближения либо удаления друг от друга атомов вещества. Это фактически устраняет мускулы от инерционности, которая так свойственна для всех ботов с электродвигателями. Но, естественно, у мышечного привода есть и недочеты. Если гласить о живых мышцах — это неизменный расход хим компонент, которыми нужно пичкать каждую клеточку мышечной ткани. Такие мускулы могут служить исключительно в качестве части сложного живого организма. Другой недочет связан с постепенным старением материала. В живом организме клеточки временами обновляются, а вот в цельном техническом устройстве схожее обеспечить очень трудно. В поисках искусственных мускул ученые стремятся сохранить достоинства, характерные движителям на базе конфигурации формы, и в то же время избежать их недочетов.

Искусственные мышцы

Школьница Панна Фелсен соревнуется с искусственной рукою, сделанной в Технологическом институте штата Виргиния

Память формы

1-ые исследования в области искусственных мускул были впрямую связаны с эффектом памяти формы, который присущ неким сплавам. Он был открыт в 1932 году шведским физиком Арни Оландером (Arne Olander) на примере сплава золота с кадмием, но практически 30 лет не завлекал особенного внимания. В 1961 году память формы совсем случаем нашли у никель-титанового сплава, изделие из которого можно произвольно деформировать, но при нагреве оно восстанавливает свою первоначальную форму. Не прошло и 2-ух лет, как в США появился коммерческий продукт — сплав, нитинол, получивший заглавие по собственному составу и месту разработки (NITINOL — NiTi Naval Ordnance Laboratories).

Память формы обеспечивается за счет того, что кристаллическая решетка нитинола может находиться в 2-ух устойчивых состояниях (фазах) — мартенситном и аустенитном. При температуре выше некой критичной весь сплав находится в аустенитной фазе с кубической кристаллической решеткой. При охлаждении сплав перебегает в мартенситную фазу, в какой благодаря изменившимся геометрическим пропорциям ячеек кристаллической решетки становится пластичным. Если приложить маленькое механическое усилие, изделию из нитинола в мартенситном состоянии можно придать практически всякую конфигурацию — она будет сохраняться до того времени, пока предмет не нагреют до критичной температуры. В этот момент мартенситная фаза становится энергетически нерентабельной, и металл перебегает в аустенитную фазу, восстанавливая прежнюю форму.

Так это смотрится в простом случае. На практике, естественно, на деформации есть ряд ограничений. Главное — они не должны превосходить 7—8%, по другому форма уже не сумеет быть стопроцентно восстановлена. Следующие разработки позволили сделать разные варианты нитиноловых сплавов. К примеру, есть такие, что помнят сходу две формы — одна соответствует высочайшим температурам, другая — низким. А при промежных температурах материал можно произвольно деформировать, но он вспомнит одну из 2-ух собственных форм при нагреве либо охлаждении.

На сегодня понятно уже более 10-ка сплавов с памятью формы на базе различных частей. Но семейство нитиноловых сплавов остается самым всераспространенным. Эффект памяти формы в сплавах на базе NiTi верно выражен, при этом спектр температур можно с неплохой точностью регулировать от нескольких градусов до 10-ов, вводя в сплав разные примеси. Не считая того, нитинол недорог, комфортен в обработке, устойчив к коррозии и обладает хорошими физико-механическими чертами: к примеру, его предел прочности всего в 2—4 раза ниже, чем у стали.

Пожалуй, главным недочетом схожих сплавов длительное время был маленький припас цикличности. Количество управляемых деформаций не превышало пары тыщ итераций, после этого сплав терял свои характеристики.

В мгновение ока

Разрешить эту делему смогла компания NanoMuscle. Зимой 2003 года на интернациональной ярмарке игрушек в Нью-Йорке ею была представлена необыкновенная куколка — Baby Bright Eyes. Игрушка очень близко к реальности копировала мимику глаз малеханького малыша, чего фактически нереально достигнуть с помощью обычно используемых в игрушечной промышленности микроэлектродвигателей — они очень инерционны. При всем этом цена куколки (при серийном производстве) оценивалась всего в 50 баксов, что смотрелось совершенно уж фантастично.

При разработке макета куколки инженерам компании NanoMuscle удалось преодолеть ограничения цикличности, используя микрочастицы из титана и никеля, также разработав программное обеспечение, управляющее сплавом в более щадящем режиме, потому актуальный цикл таких наномускулов превосходит 5 миллионов итераций. Микрочастицы соединялись в тонкие волокна поперечником около 50 микрон, а из их сплетался провод длиной несколько см, который мог поменять длину на 12—13% (очередной рекорд).

Вызывает почтение и сила устройства, получившего заглавие NanoMuscle Actuator. При равной массе наномускул развивает мощность в тыщу раз больше, чем людские мускулы, и в 4 000 раз больше, чем электродвигатель, и при всем этом скорость его срабатывания составляет всего 0,1 секунды. Но что в особенности принципиально, благодаря составной конструкции NanoMuscle Actuator не перебегает скачком из 1-го состояния в другое, а может двигаться плавненько с данной скоростью.

Наномускул, применяемый для приведения в движение глаз куколки, управлялся 8-битным процессором и имел напряжение питания 1,8 вольта. Его расчетная стоимость при промышленном производстве не превосходит 50 центов. Позже было представлено целое семейство игрушек такового рода с огромным числом передвигающихся частей. А скоро венчурная компания NanoMuscle была поглощена стремительно возрастающей китайской компанией Johnson Electric, которая практикуется на выпуске электронных приводов для самой разной техники — от DVD-проигрывателей до авто зеркал.

Приблизительно в это время в Техасском институте нанотехнолог Рэй Бахман (Ray Baughman) выдумал, как вынудить работать железные мускулы совсем без электричества — впрямую от хим горючего, что может понадобиться в системах с высочайшими требованиями к автономности. Трос из сплава с памятью формы он покрыл платиновым катализатором и стал обдувать консистенцией паров метанола, водорода и кислорода. В газовой среде из-за низкой концентрации реакция фактически не идет, а вот на покрытой катализатором поверхности выделялось достаточно много тепла. Увеличение температуры принуждало трос изменять длину, после этого поступление метанола прекращалось, и через некое время трос остывал и ворачивался к начальной длине. Может показаться, что это не очень успешная мысль, но ведь совсем не непременно, чтоб задействованные железные мускулы конкретно приводили в движение конечности либо колеса бота. Если таких мускул много и они работают попеременно, то привод оказывается полностью размеренным, а по совместительству он еще будет служить топливным элементом, вырабатывающим энергию для бортовой электроники.

Электроактивные полимеры

Но металлы с памятью формы — не единственное направление в разработке искусственных мускул. Доктор Йозеф Бар-Коэн (Yoseph Bar-Cohen) из Лаборатории реактивного движения NASA занимается созданием другой технологии — электроактивных полимеров (electroactive polymer — EAP) и уже получил на этом поприще 18 патентов и две медали NASA. К началу 2001 года его лаборатория могла повытрепываться 2-мя типами искусственных мускулов.

Какой-то из них — это полимерные ленты из углерода, кислорода и фтора. При подаче электронного тока рассредотачивание зарядов на поверхности таковой ленты изменяется, и она изгибается. Лаборатория доктора Бар-Коэна уже показывала журналистам обычный манипулятор из 4 лент, который позволяет обхватить маленький предмет и поднять его с земли (в дальнейшем подразумевается — с поверхности другой планетки). Разумеется, что сложность и обилие вероятных движений такового захвата зависят только от конфигурации полимерных лент. На видеозаписи движение схожих полимерных мускул смотрится совсем особенно: зажатые в тиски ленты вдруг начинают гнуться ввысь и вниз — поначалу медлительно, как лепестки цветка, но позже все резвее, все почаще, и вот их уже даже не видно — как крыльев комара в полете.

Устройства второго типа отличаются геометрией: пластинки EAP свернуты в трубочки наподобие листьев табака в сигаре. При подаче напряжения трубочки сжимаются и сдавливают эластичную сердцевину, заставляя ее растягиваться. В NASA уповают, что такие устройства могут быть применены в новеньком поколении планетоходов. К примеру, в одном из проектов предлагается заместо отправки одного-двух томных колесных аппаратов разбросать вокруг точки посадки сотки шариков с датчиками, адаптерами беспроводной сети и приводами на базе искусственных мускул второго типа, которые позволят шарикам перепрыгивать с места на место. Это даст возможность стремительно и дешево исследовать сходу целую местность. Кстати, современные модели EAP уже обеспечивают время срабатывания меньше 0,1 секунды, двукратное удлинение толкателя и силу, в 1 000 раз превосходящую его земной вес — полностью довольно для прыжков по дальним планеткам.

Искусственные мышцы

Игрушка с подвижными очами, которые приводятся в действие нитиноловыми мускулами с памятью формы, разработанными компанией NanoMuscle

Поединок с роботом

Два года вспять Бар-Коэн и несколько управляющих конкурирующих лабораторий отважились на маленькое шоу для популяризации собственных разработок — турнир по армрестлингу с искусственной рукою. В пресс-релизе событие предварялось таковой решительной фразой: «Если автоматическая рука одолеет, то она откроет двери для многих новых технологий в медицине, военном деле и даже промышленности развлечений».

Выбор конкурента, а поточнее соперницы, организаторы турнира предоставили телевизионщикам, и те предпочли старшеклассницу Панну Фелсен (Panna Felsen), которая основала в собственной школе в Сан-Диего клуб робототехники. Ей предстояло побороться с 3-мя искусственными руками по правилам, приближенным к традиционным. За их соблюдением наблюдали двое проф борцов-армрестлеров. Шоу удалось на славу, но оно малость остудило некие жаркие головы: ни одна рука не выстояла против непременно прекрасной, но хрупкой девицы.

Первым ее конкурентом стал манипулятор от американской компании Environmental Robots Incorporated с 2-мя искусственными мускулами. Поединок с роботом продлился 24 секунды. 2-ой и 3-ий конкуренты выдержали всего 4 и 3 секунды соответственно. Турнир выявил не считая чисто силовых заморочек, которые всегда можно решить наращиванием числа полимерных пластинок, и другие суровые недочеты аппаратов. К примеру, 3-я рука, сделанная в Политехническом институте штата Виргиния, использовала для активации полимера не электронные импульсы, а хим процессы. По воззрению ее разработчиков, такое решение намного более естественно для будущей реализации искусственных мускул. Но в процессе шоу полностью проявилась медлительность хим механизма активации: искусственная мускула начала работать только спустя несколько секунд после начала поединка, так что манипулятор потерпел поражение еще до того момента, как вышел на рабочий режим.

Детство чемпиона

Один из суровых соперников группы Бар-Коэна — компания Artificial Muscle, очень суровым образом понимающая свою цель: «Вывести на рынок твердотельные приводы, которые сделают с моторами и насосами то же, что полупроводники сделали с электрическими лампами». В качестве «твердотельных» приводов в Artificial Muscle занимаются все теми же электроактивными полимерами, но, чтоб отличаться от соперников, употребляют другую аббревиатуру — EPAM (Electroactive Polymer Artificial Muscle). По воззрению разработчиков, искусственные мускулы в дальнейшем затмят все другие механические приводы — электрические, пневматические, гидравлические и пьезоэлектрические — по всем характеристикам: цены, шуму, скорости, весу и удельной мощности.

Но то в дальнейшем, а пока однослойная полимерная искусственная мускула EPAM способна развивать усилие всего 0,5 ньютона (вес 50-граммовой гири). Правда, складывая 10-ки таких слоев, можно получить достаточно значимый эффект. Такие устройства уже на данный момент предлагаются, к примеру, производителям фотоаппаратов в качестве приводов для механизма автофокусировки.

Искусственные мускулы стремительно развиваются, но многие результаты уже укрыты за заавесью коммерческой потаенны, потому тяжело гласить о том, какие характеристики являются на сей день рекордными. Но, к примеру, способность выдерживать до 17 тыщ циклов сжатия-растяжения за секунду, заявленная Artificial Muscle, имеет высочайшие шансы оказаться рекордом быстродействия в мире искусственных мускул. Так же как и возможность полимерного материала изменять свою длину в 3,8 раза, достигнутая в лаборатории компании. Естественно, длительно такое «издевательство» над веществом длиться не может, и если требуется, чтоб полимерная мускула накрепко срабатывала миллионы раз, она не должна поменять свою длину более чем на 15%. По последней мере, при современном уровне развития этой отрасли.

Электромускульная броня

Но великодушные научные интересы профессионалов вроде доктора Йозефа Бар-Коэна не идут ни в какое сопоставление с объемами финансирования и техническими способностями лабораторий, которые не гнушаются работой на военных, вроде BAE Systems. Эта компания делает военные заказы фактически для всех на техническом уровне развитых стран мира, и потому информация о ее разработках возникает довольно нередко, невзирая на режим секретности.

Сейчас утечка произошла через маленькую британскую компанию H. P. White Laboratory, которая занимается в главном испытаниями на крепкость защитных систем: брони, пуленепробиваемых стекол, бронежилетов. По английским законам, информация о деятельности военных и мед компаний не может быть стопроцентно спрятана за секретностью патентов, потому по их отчетам можно косвенно проследить за развитием новых разработок в военной сфере. Сейчас исследователи предложили использовать принцип EAP для сотворения «брони со множественными напряжениями», которая представляет собой многослойную структуру из огромного числа полимерных лент с вкраплением наночастиц крепкой керамики и спецефическим образом нацеленных намагниченных частиц. Пуля, которая попадает в броню, вызывает исходную деформацию и приводит к резкому смещению намагниченных частиц. За счет индукции появляется маленький электронный импульс, заставляющий полимерные ленты сжиматься, резко повышая крепкость брони, так как частички инкрустированной бронекерамики имеют определенный силуэт, который позволяет им при сжатии сцепляться в сплошное покрытие.

Самое главное достоинство этой системы состоит в том, что наибольшая «плотность» брони появляется как раз в точке попадания пули, равномерно уменьшаясь по сторонам. В итоге кинетическая энергия пули умеренно распределяется практически по всей площади бронежилета. Броня вышла хоть и объемнее, но намного легче современных аналогов. Если ранее очередь в бронежилет из автоматической винтовки не убивала человека, но гарантированно выводила его из строя минимум на 10-ки минут, то, по подготовительным расчетам, новенькая защитная система не оставит даже гематом на теле бойца.

К истинному времени искусственные мышцы употребляются в главном в специфичных областях, обычно имеющих сильную муниципальную поддержку. Штатские и даже мед исследования приметно отстают от военных. Разработчики искусственных мускул кропотливо охраняют секреты их производства. К примеру, Artificial Muscle даже никому не реализует свои полимерные ленты — только готовые приводы на их базе. В некий момент положение оказалось настолько возмутительным, что группа Бар-Коэна просто взяла и опубликовала на собственном веб-сайте несколько нехитрых рецептов производства электроактивных полимеров, чтоб к работе могло подключиться больше независящих исследователей. 1-ые общедоступные устройства, использующие главные способности искусственных мускул, появятся уже в наиблежайшее десятилетие, и они имеют все шансы стать той революционной новацией, которая откроет дорогу к созданию дешевых функциональных самодвижущихся бытовых ботов. Ну и не только лишь ботов. По признанию доктора Бар-Коэна, разработка этой технологии очень припоминает изобретательский бум конца XIX — начала XX века: материалы вседоступны, опыты и исследования может поставить хоть какой студент со светлой головой, а валютные издержки малы.

Так что осталось запастись терпением и через десяток лет хорошо перетряхнуть содержимое книжной полки с научной фантастикой, чтоб избавиться от безвыходно устаревших с технической точки зрения книжек.

Генри Шеппард