Искусственные мышцы: от мягкости к стали

Исследовательская группа из Национального института науки и технологий Ульсана (UNIST) представила новый тип искусственной мышцы, способной плавно переходить из мягкого и гибкого состояния в жесткое и прочное, подобно трансформации резины в сталь. При сокращении эта инновационная мышца может поднимать вес, во много раз превышающий собственный, демонстрируя выход энергии, значительно превосходящий возможности человеческих мышц.

Под руководством профессора Хуна И Чона из Департамента механической инженерии UNIST, команда успешно создала мягкую искусственную мышцу, динамически регулирующую свою жесткость. Исследование опубликовано онлайн в журнале Advanced Functional Materials.

Мягкие искусственные мышцы обладают огромным потенциалом для применения в робототехнике, носимых устройствах и медицинских вспомогательных технологиях, требующих взаимодействия, схожего с человеческим. Однако их широкое использование было ограничено компромиссом: они, как правило, либо очень гибкие, либо способны развивать значительное усилие, но редко одновременно.

Разработанный прорыв решает эту проблему благодаря созданию композитной мышцы, которая становится жесткой при высоких нагрузках и смягчается при необходимости сокращения. Примечательно, что в своем упрочненном состоянии эта миниатюрная искусственная мышца весом всего 1,25 грамма способна выдерживать до 5 килограммов, что примерно в 4000 раз превышает ее собственный вес. В смягченном состоянии она может растягиваться до 12 раз от своей первоначальной длины.

Во время сокращения мышца достигает деформации в 86,4%, что более чем вдвое превышает примерно 40% деформации, типичной для человеческих мышц. Ее удельная работа достигает 1150 кДж/м³, что в 30 раз выше, чем у человеческих тканей. Удельная работа показывает, сколько энергии на единицу объема мышца может высвободить, и достижение высоких значений наряду с высокой растяжимостью долгое время оставалось вызовом.

Ключевая инновация заключается в разработке двойной сетки сшитых полимеров. Химические связи, формирующие структуру мышцы, обеспечивают прочность, в то время как физические взаимодействия, активируемые и разрываемые термическими стимулами, придают ей исключительную гибкость. Кроме того, в мышцу встроены обработанные поверхностно магнитные микрочастицы, которые позволяют внешним магнитным полям точно управлять ее движением. Это было успешно продемонстрировано в экспериментах по подъему объектов с помощью магнитного привода.

Профессор Чон пояснил: «Данное исследование преодолевает фундаментальное ограничение, заключающееся в том, что традиционные искусственные мышцы либо очень растяжимы, но слабы, либо сильны, но жесткие. Наш композитный материал способен выполнять обе функции, открывая двери для более универсальных мягких роботов, носимых устройств и интуитивно понятных интерфейсов человек-машина».