Созданы искусственные мышцы, которые сильнее и гибче натуральных

Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) разработали новый материал для создания искусственных мышц, которые в 10 раз более прочные и гибкие, чем естественные мышцы, сообщается в пресс-релизе университета.

Фото из открытых источников

Ученые стремились воспроизвести мышцы, которые затем могут быть использованы для создания мягких роботов и новых тактильных технологий. Ученым-материаловедам известно много мягких материалов, которые могут выполнять двойную работу: обеспечивать механическую отдачу, сохраняя при этом жизнеспособность в условиях высоких нагрузок.

Класс материалов, называемых диэлектрическими эластомерами (DES), может обеспечить как гибкость, так и прочность, и они не только легкие по весу, но и обладают высокой плотностью упругой энергии. DES могут быть изготовлены из натуральных или синтетических соединений и представляют собой полимеры, которые могут изменять размер или форму при приложении электрического поля. Это делает их идеальными материалами для изготовления приводов, то есть машин, которые могут преобразовывать электрическую энергию в механическую работу.

Что же тогда требовало улучшения?

В настоящее время DES изготавливаются с использованием акрила или силикона, и, хотя они были полезны, у них также есть определенные недостатки. DES, изготовленные из акрила, могут выдерживать высокие нагрузки, но требуют предварительного растяжения и не обладают гибкостью. С другой стороны, силиконовые мышцы можно легко изготовить, но они не выдерживают высоких нагрузок.

Работая с некоммерческой организацией SRI International, команда Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе использовала коммерчески доступные химикаты и процесс отверждения на основе ультрафиолетового (УФ) света для улучшения DE на основе акрила.

Исследователи смогли изменить сшивку в полимерных цепях материала, чтобы сделать DE более мягким, гибким и простым в наращивании без потери выносливости или силы. Изменения в производственном процессе позволили исследователям создавать тонкие пленки DES, которые они называют обрабатываемым высокоэффективным диэлектрическим эластомером (PHDE).

Как можно использовать PHDE?

Пленка PHDE тонкая, как человеческий волос, и одинаково легкая по весу. Наслоение этих пленок может помочь исследователям создать миниатюрные приводы, которые могут работать как мышечная ткань и производить достаточно механической энергии для питания небольшого робота.

Мягкие материалы были наслоены раньше. Однако метод, используемый для этого, предполагает использование жидкой смолы, которую необходимо сначала нанести, а затем отвердеть. Такой «мокрый» процесс может привести к тому, что привод будет иметь неровные слои, что приведет к снижению производительности. Вот почему искусственные мышцы, которые вы, возможно, видели в прошлом, имеют толщину всего в один слой.

Исследователи Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе также работали над этим аспектом и внедрили сухой процесс, при котором пленки PHDE укладываются слоями с помощью лезвия, а затем отверждаются УФ-излучением. Упрощенный процесс даже позволил исследователям изготовить приводы, напоминающие паучьи лапки, которые сгибаются, а затем прыгают или даже сворачиваются, а затем вращаются.

Согласно пресс-релизу, эти новые приводы могут генерировать во много раз больше силы, чем биологические мышцы, и в 3-10 раз более гибкие, чем их естественные аналоги. В ходе демонстрации исследователи показали, что привод может подбрасывать мяч, который в 20 раз больше его веса.

Исследование было опубликовано в журнале Science.