Пластиковая сила — Naked Science
07.04.2014
8 минут
Редакция
148

Пластиковая сила

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

vanadium_dioxide2

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. 

 

Позавчера, 15:12
1 минута
Илья Ведмеденко

В Соединенных Штатах провели церемонию спуска на воду USS Cooperstown (LCS 23) — корабля прибрежной зоны Littoral Combat Ship типа Freedom. В скором времени он пополнит состав ВМС США.

Позавчера, 09:37
7 минут
Сергей Васильев

Магнитосфера Земли была достаточно сильной еще до того, как у планеты появилось внутреннее ядро и заработал механизм «геомагнитного динамо»: похоже, на первых этапах ее подпитывал совершенно другой механизм.

Позавчера, 14:50
34 минуты
Александр Березин

SpaceX рассчитывает к 2050 году создать на Марсе колонию на миллион человек. Звучит абсурдно: осталось всего 30 лет, а до первого полета на Марс еще многие годы. Некоторые ученые, включая российских, считают планы Маска «фантазией» и «пропагандой». Тем не менее сама по себе постройка миллионной колонии на Красной планете вполне реальна. Разберемся, почему и отчего в это так трудно поверить остальному миру.

18 января
26 минут
Александр Березин

Многие считают зимнее купание «церковным обычаем». Однако на деле Церковь всегда выступала против него, считая нехристианским, и вредным для здоровья. При всей внешней разумности этой позиции, на самом деле, такие купания могут быть даже полезны — но не для всех. Выясняем, как именно и почему.

17 января
7 минут
ТГУ

Старший научный сотрудник лаборатории «Гербарий» БИ ТГУ Вера Костикова совместно с новосибирскими коллегами выявила ценные лекарственные свойства у спиреи – кустарника, используемого в озеленении городов и дачных участков. Фитохимическое исследование показало, что растение обладает противовирусной и антиоксидантной активностью, что делает его перспективным для использования в медицине.

19 января
23 минуты
Редакция

Возраст планеты, на которой мы живем, – примерно 4,54 миллиарда лет. И большую часть этого времени она была совершенно не похожа на ту Землю, которую мы знаем. Даже самые экзотические планеты за пределами Солнечной системы, возможно, не столь интересны, как наша родная в некоторые моменты ее истории. Наденем скафандр, сядем в машину времени – и представим себя инопланетными путешественниками, посетившими нашу систему в ее ранние времена.

16 января
5 минут
Илья Ведмеденко

Исследователей в очередной раз удивили привычки кошек: как оказалось, они не прочь питаться одним человеческим трупом на протяжении месяца, несмотря на наличие других тел.

18 января
26 минут
Александр Березин

Многие считают зимнее купание «церковным обычаем». Однако на деле Церковь всегда выступала против него, считая нехристианским, и вредным для здоровья. При всей внешней разумности этой позиции, на самом деле, такие купания могут быть даже полезны — но не для всех. Выясняем, как именно и почему.

7 января
44 минуты
Александр Березин

Вашингтон и Тегеран близки к войне как никогда за последние годы. Но, скорее всего, США не пойдут дальше ограниченных ударов. Слишком уж неприятные последствия имели предшествующие силовые операции Штатов в Иране. Попробуем разобраться, что именно их остановит на этот раз.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: