I jako elektronika zmenšil více a více, motory, hydraulika a další pomůcky používané pro pohon pohybu, tvrdošíjně vzdoroval trendu. Je obtížné vyrobit a sestavit nepatrné mechanismy, které mohou poskytnout síly a zvládnout napětí potřebné k pohonu výjimečně malých pohyblivých částí. Tento týden ve Vědě, několik týmů vědců současné studie popisující pokroky v provedení malé umělé svaly—všechny které používají malé zkroucené vlákna pro ukládání a uvolňování energie. Vlákna by mohla být použita ve všem, od miniaturních robotů po ventily ve zdravotnických prostředcích.
tato vlákna, která často obsahují lehké polymery, jako je nylon nebo polyethylen s vysokou hustotou, mohou být na základě své hmotnosti silnější než lidské svaly. Jako jsou smlouvy, některé může zvednout více než 1000 krát své vlastní hmotnosti, říká Sameh Tawfick, strojní inženýr na University of Illinois v Urbana-Champaign. Vlákna umožňují technikům ukládat hodně energie v malém prostoru, který „umožňuje jim dělat věci, které nemůže jinak,“ konstatuje Tawfick, který je spoluautorem pohledu na studie publikovaná ve stejném vydání Science.
jedním z nových návrhů umělých svalů je v podstatě malá, high-tech verze gumových pásů používaných k pohonu letadel z balsového dřeva. Ale tato vlákna nevyžadují vinutí pokaždé, když jsou používány, říká, Jinkai Juanů, materiály vědec na Univerzitě v Bordeaux ve Francii a spoluautorka jedné ze studií. Místo toho jsou vyrobeny z polymeru „tvarové paměti“, který se při změně teploty materiálu kroutí a rozplétá.
Zde je, jak Juanů tým dělal jeho svaly: za Prvé, vědci vyhřívaná dva-cm-dlouhé, 40-micron-průměr vláken z materiálu s názvem polyvinylalkohol (PVA) nad jeho tzv. programování teploty. (Nad touto teplotou má materiál přirozeně jeden tvar; pod ním může mít materiál jiný. Pokud teploty kolísají kolem tohoto prahu, materiál se střídá mezi oběma tvary.) Po kroucení vlákna pro uložení energie ho ochladili, aby zmrazili jeho tvar. Když se vlákno opět zahřálo nad svou programovací teplotu, rychle se rozplynulo do původního tvaru, říká Yuan.
i když PVA vláken může uložit značné množství energie, tým zjistil, že přidáním tři až pět mikronů-velikost vločky oxidu grafenu materiálu umožnilo uzamknout i více. To je proto, že ty vločky by flex—a tím ukládání energie, jako na jaře možná—když vlákno bylo první zkroucené, ale pak se uvolní tu energii, jak to napravit. V laboratorních testech týmu roztáčené vlákno točilo trochu papíru rychlostí 600 otáček za minutu po celých pět sekund. Chcete-li prokázat schopnost ukládání energie vlákna, tým použil jeden k pohonu hračkářské lodi. Na praktičtější poznámku, tento druh umělého svalu by také mohl otevřít a zavřít malé chlopně ve zdravotnických prostředcích, Yuan navrhuje.
Vzhledem k tomu, že vlákna vyroben Juanů a jeho kolegové poskytují točivý moment, jako jsou twist a rozplést, umělé svaly vyvinut další týmy pracují více jako skutečné svaly: oni pracují tím, tahání nebo zvedání předmětů. Tým vedený vědci z Massachusetts Institute of Technology vytvořili vláken, které se může protáhnout více než 1000 procent jejich původní velikosti a zvednout více než 650 krát své vlastní hmotnosti. Fungují na podobném principu jako bimetalových pásů na začátku termostaty: vlákno je vyroben lepení dvou materiálů, které rozšířit na radikálně odlišné sazby jako teplota jejich změny prostředí, říká Polina Anikeeva, materiály vědec na M. I. T. a hlavní autor této studie.
nový umělý sval jejího týmu obsahuje polyethylen s vysokou hustotou (HDPE), stejný druh plastu používaný k výrobě recyklovatelných lahví. Má také jiný materiál, pružný typ polymeru známý jako elastomer, říká Anikeeva. Protože se malé bloky těchto látek zahřívají a protahují úzkou tryskou, spojují se a jsou nataženy do dlouhého tenkého vlákna. Když se uvolní napětí ve vlákně, elastomer se zmenší zpět na původní velikost. Tato změna zase způsobí, že se vlákno stočí do pružinového tvaru připomínajícího starý telefonní kabel. Jako vlákno je vyhřívané nebo chlazené, HDPE rozšíří nebo smluv o pět krát rychleji než elastomer, na které je lepená, které má tendenci ke zkrácení, nebo zvýšení celkové délce stočené vlákno, resp.
Když Anikeeva a její kolegové vyhřívaná jeden z jejich vláken o 14 stupňů Celsia během čtyř sekund, umělý sval se snížil v celkové délce neuvěřitelných 50 procent. V další testy, tým vyhřívané a chlazené vlákna zvedat lehké váhy nebo flex malé robotické paže. Ačkoli tyto testy zvedly gramové váhy, masivní svazky takových vláken by mohly být použity k provádění těžšího zvedání nebo tahání, říká Anikeeva. Vlákna s větším průměrem nebo jejich svazky by mohly najít využití v robotice nebo protetických končetinách, poznamenává.
jiný tým, který hlásil svou práci v tomto týdnu vědy, se zabýval umělými svaly úplně jiným způsobem. Ačkoli jeho zařízení byla postavena kolem jádra zkroucených vláken, aktivní část svalu byla ve skutečnosti tenkým pláštěm materiálu obklopujícího jádro. Pomocí tohoto plášť měl několik výhod, říká Ray Baughman, vedoucí týmu a materiály vědec na University of Texas v Dallasu. Za prvé, poznamenává, že umožňuje inženýrům používat levnější materiály pro jádro vlákna. On a jeho kolegové vyvinuli svaly poháněné pláštěm postavené kolem jader vyrobených z nylonu, hedvábí a bambusové příze. Jejich testy ukazují, že výběr materiálu pro jádro vlákna dramaticky neovlivňuje jeho výkon.
existují i jiné důvody pro budování svalů poháněných pláštěm, říká Baughman. Vnější vlákna je místo, kde podněty v oblasti životního prostředí, jako je vlhkost nebo přítomnost určitých látek, řízení jeho pohybu, bude více rychle cítil, vysvětluje. Také otok a smrštění v plášti, který je nejdále od středu vlákna, bude vyvíjet větší páku než ekvivalentní změny v blízkosti jádra vlákna.
na rozdíl od ostatních týmů vyvinul Baughman a jeho kolegové vlákna, která reagují na více než jen změny teploty. Některé sportovní svalové pláště, které bobtnají, když jsou vystaveny výparům ethanolu; jiné byly dýhovány materiálem, který se smršťuje, když je namočen v roztoku glukózy. Tyto druhy vláken by mohly být použity k otevření nebo zavření ventilů ve zdravotnických prostředcích nebo ke stlačení malého vaku a dávkování léku. Vlákna, která reagují na pot nebo vodní páru, by mohla být tkaná do „inteligentních tkanin“, které upravují těsnost jejich vazby tak, aby se v horkých a vlhkých podmínkách stala prodyšnější, říká Baughman. Alternativně by povlaky, které reagují na škodlivé výpary, mohly utáhnout tkaninu, aby chránily lidi reagující na chemický únik.
“ jsem nesmírně nadšený vývojem“, který tyto týmy hlásí, říká Tawfick. „Tato technologie má velmi světlou budoucnost.“
