Эксперты о квантовых компьютерах
Подробнее
07.04.2014
Редакция Naked Science

Пластиковая сила

Из обычной рыболовной лески ученые сплели самые сильные из существующих искусственных мышц.

vanadium_dioxide2
©Wikipedia

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. 

 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
25 октября
Алиса Гаджиева

Ученые утверждают, что обнаруженная ими 1,5-тысячелетняя церковь построена над домом апостолов Андрея и Петра.

Вчера, 05:30
Мария Азарова

Ученые из Швейцарии и Германии сделали неожиданный вывод: катехины зеленого чая не подавляют окислительный стресс, а способствуют ему. Однако на этом их действие не заканчивается.

Вчера, 09:00
РНФ

Российские ученые впервые обобщили многолетние исследования десятка научных групп, посвященных геологии Тянь-Шаня. Это позволило определить основные «блоки», из которых состоит горный комплекс, и создать карты наиболее сейсмически активных областей. Полученные данные помогут не только распознать зоны с наибольшей вероятностью землетрясений, но также проследить историю образования этой горной системы.

25 октября
Мария Азарова

Американские исследователи оценили вероятность повторного заражения коронавирусами SARS-CoV, HCoV-229E, HCoV-OC43, HCoV-NL63 и особенно SARS-CoV- 2.

Вчера, 05:30
Мария Азарова

Ученые из Швейцарии и Германии сделали неожиданный вывод: катехины зеленого чая не подавляют окислительный стресс, а способствуют ему. Однако на этом их действие не заканчивается.

22 октября
Александр Березин

Повелители тундростепей Евразийского континента, оказывается, вовсе не вымерли с концом ледникового периода. Вопреки тому, что считалось ранее, они выжили — как минимум на Таймыре и как минимум до 1900 года до нашей эры. А это на много веков позже постройки пирамиды Хеопса. Получается, человек не привел мамонта к вымиранию? Или, напротив, нашел затерянные на Таймыре остатки вида и уничтожил их совсем недавно? Это сложный вопрос, от которого зависит ответ на другой: могут ли слоны заселить Север России и в наши дни?

13 октября
Мария Азарова

Анализ образцов крови, взятых у российских космонавтов до и после их полета на МКС, показал, что длительное пребывание в космосе может провоцировать повреждение мозга.

12 октября
Алиса Гаджиева

Две тысячи лет назад многие сооружения строили лучше, чем сегодня.

18 октября
Елена Синицкая

На днях израильский ныряльщик обнаружил на дне Средиземного моря у Хоф-ха-Кармель древние предметы, среди которых оказался меч удивительной сохранности. По мнению специалистов Израильского управления древностей, железный меч с клинком около одного метра и 30-сантиметровой рукоятью принадлежал крестоносцу и датируется XII веком.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: