Пластиковая сила

Захватывающие воображение технологии и решения, о которых мы вам рассказываем, в большинстве своем требуют столь же инновационных материалов. Графен и хит­рые композиты, углеволокно и органические проводники – все они настолько же интересны, насколько и дороги. Но вот ультрасовременная новинка, представленная недавно командой ученых из США, Австралии и Китая, сделана из обычной пластиковой лески.

В последние годы всевозможные искусственные мускулы из самых разных сложных материалов находят все большее применение в протезировании, создании экзоскелетов и робототехнике. При этом под ними могут понимать весьма широкий спектр систем различного устройства – главное, чтобы искусственный мускул мог сокращаться и растягиваться, либо скручиваться в ответ на определенное воздействие, будь то электрическая стимуляция, изменение температуры или что-то еще. И, конечно, чтобы после снятия этого воздействия «мускул» возвращал себе исходную форму и состояние, приготовляясь к следующему сокращению.

Достичь этого можно, например, используя материалы, обладающие памятью формы – скажем, некоторые никелево-титановые сплавы. Однако стоимость такого сплава исчисляется тысячами долларов за килограмм. Более мощные искусственные мускулы можно получить с использованием волокна из сверхпрочных углеродных нанотрубок, но цена их производства оказывается вообще заоблачной.

Такой работой с нанотрубками занимался и американский химик Рэй Богман (Ray Baughman). Он, в частности, заметил, что если эти трубки закрутить достаточно сильно, так, чтобы они скрутились в спираль, из них – как из резинового жгута в детской игрушке – получится отличный вращательный моторчик. С той лишь разницей, что запустить его в действие можно слабым электрическим током.

Размышляя над механизмом работы такого «нанотрубочного» двигателя, Богман и его коллеги заметили, что для его работы исключительно важна одинаковая ориентация нанотрубок. Тогда все они под действием тока меняют форму одинаковым образом, и вся система работает согласованно, сокращая или растягивая «мышцу». Но такое же упорядоченное расположение полимерных волокон характерно и для многих обычных пластмасс, скажем, нейлона (капрона). Попробовав такие – широко распространенные и крайне дешевые – капроновые полимеры в качестве основы для искусственных мышц, авторы были поражены.

Сокращение оксида

Одним из перспективных материалов для создания искусственных мышц стал диоксид ванадия. Американские ученые из группы профессора Цзиньсяо Ву (Junqiao Wu) обратили внимание на то, что структура этого вещества при температуре 67 oС претерпевает фазовый переход. В одной из фаз она позволяет свободно течь носителям заряда – электронам – делая материал проводником, в другой – блокирует их поток, превращая его в изолятор. Этот переход сопровождается и деформацией оксида ванадия.

Испытания в лаборатории показали, что ванадиевая «мышца» способна сокращаться с частотой до 200 КГц – до 200 тыс. колебаний в секунду! При этом ученые провели более миллиона таких циклов, не заметив никакой деградации материала. Увы, искусственные мышцы на основе этого материала, если и будут созданы, то снова окажутся слишком дорогими для по-настоящему массового промышленного использования.

Взяв нейлоновое волокно и скрутив из него жгут особой структуры, они обнаружили, что под воздействием тепла он сокращается почти вдвое, а при остывании возвращается к исходной длине. Для сравнения, наши собственные мускулы способны сокращаться лишь на 20%. Кстати, силу эта искусственная мышца демонстрирует просто нечеловеческую.

^{Сокращение наших мускулов обеспечивает взаимодействие белков – актина и миозина. Когда в цитоплазме мышечной клетки повышается содержание ионов кальция, толстые миозиновые нити начинают скользить вдоль тонких актиновых, сокращая длину белкового комплекса} 

^{©meduniver.com}

Эксперименты показали, что сплетенное таким образом полиэтиленовое волокно диаметром порядка сотен микрометров – в десять раз тоньше человеческого волоса – способно поднять груз весом 7,2 кг! А сплетенная вместе в единую сокращающуюся структуру сотня таких волокон подняла уже 725 кг. И это – из материала, стоящего буквально копейки. «Они просто взяли дешевую вещь с полки и превратили ее в золотую жилу», – отреагировали на новинку восхищенные коллеги.