Из полимерной нити сделают синтетические мышцы

Искусственные мускулы создадут из... лески

Если искусственный скелет люди уже научились изготавливать, то вот создать синтетическую мускулатуру до недавнего времени никому не удавалось. Однако недавно американские ученые смогли найти материал, из которого можно сделать искусственные мышцы. Интересно, что эти полимеры давно известны человечеству — из них давно уже делают рыболовную леску.

Фото:

Если говорить коротко, основной принцип работы мышц следующий — их волокна уменьшают или увеличивают свою длину после поступления к ним соответствующих нервных импульсов. Таким образом, для того, чтобы сделать искусственную мышцу, нужно просто подобрать материал, который будет изменять свою длину по определенному сигналу. И при этом эффективность работы таких мышц должна по меньшей мере быть такой же, как у их естественных аналогов, а в лучшем случае — превышать ее в несколько раз.

Однако, спросите вы, а для чего вообще нужны искусственные мышцы? Во-первых, эти структуры могут стать прямым аналогом человеческих мышц у роботов, с помощью которых они смогут даже менять выражение лица. Синтетические мышцы пригодятся им как при поднятии тяжестей, так и при выполнении тонких хирургических манипуляций. Ну и, наконец, искусственные мышцы могут пригодиться при изготовлении протезов нового поколения, которые, благодаря им, смогут полностью заменить пациентам утраченные конечности.

Именно поэтому во всем мире уже несколько лет ведутся работы по созданию искусственных мышц, однако до недавнего времени сильного прорыва в данном направлении не наблюдалось. А все потому, что прежде ученые и инженеры пытались изготавливать синтетические мышечные волокна из углеродных нанотрубок. Но, хотя первые эксперименты с этими материалами были вполне успешными, позже выяснилось, что, во-первых, такие "наномышцы" очень сложны в изготовлении и чрезвычайно дороги, а, во-вторых, они сокращаются всего на 10 процентов от своей длины — а это куда меньше, чем могут естественные мускулы.

Впрочем, недавно группа специалистов по материаловедению и биомеханике из Техасского университета в Далласе (США), которой руководил доктор Рэй Бофман, предложила совсем иной вариант решения этой задачи. Экспериментируя с различными материалами, ученые взяли обычную полимерную нить — вроде тех, которые используют для производства рыболовной лески или синтетических ниток, после чего скрутили ее в спираль и подвергли температурному воздействию. В результате выяснилась одна любопытная вещь: при нагревании эта спираль разворачивалась, а при охлаждении — вновь скручивалась. То есть данная полимерная конструкция вела себя точно так же, как мышечные волокна, только роль нервного импульса в данном случае играл нагрев.

Когда же исследователи измерили все характеристики данной синтетической мышцы, то оказалось, что по сравнению с обычными мускулами, которые могут сокращаться лишь на 20 процентов от своей длины, данная конструкция способна уменьшить свои размеры на 50 процентов! А если объединить вместе сотню таких синтетических волокон, то подобная искусственная мышца сможет поднять груз весом больше 700 кг. Относительно веса волокна могут развивать мощность в 7,1 л. с. на кг, что соответствует мощности реактивного двигателя. Ну и, конечно же, мышцы, созданные из подобного материала, вообще не "знают", что такое утомление.

Кстати, первое испытание данного изобретения было достаточно оригинальным — ученые прикрепили созданные ими мышцы к окну, после чего наблюдали, как они закрывали и открывали его в зависимости от окружающей температуры. После изобретатели сконструировали из этих волокон ткань, пористость которой менялась в зависимости от температуры — таким образом исследователи продемонстрировали возможность создания из данного материала своеобразной "умной" одежды, которая может сама охлаждать ее хозяина в жару и экономить тепло человеческого тела в холод. Таким образом было наглядно показано, что сфера применения таких искусственных мышц может быть очень и очень широкой.

Впрочем, сами ученые отмечают, что пока у их изобретения есть одна слабая сторона. Как было сказано выше, фактором, который запускает сокращение синтетических мышц, является повышение температуры, которое можно обеспечить разными способами — например, с помощью химической реакции или посредством электричества. Однако пока изобретатели так и не ответили на один простой вопрос, который, без сомнения, будет интересовать тех, кто захочет запустить эти искусственные мышцы в производство — какое минимальное количество тепла (то есть, по сути дела, электрической или химической энергии) нужно будет потратить на то, чтобы они совершили механическую работу?

Читайте также: Стекла скоро нельзя будет разбить

Этот весьма важный вопрос ученые оставили без ответа, намекнув лишь на то, что созданные ими волокна, как и вообще все искусственные мышцы, не отличаются особой энергетической экономичностью. Из этого следует, что энергетические затраты на их работу пока еще достаточно большие. Впрочем, авторы разработки считают, что в ближайшем будущем им удастся значительно снизить энергетические затраты искусственных мышц — для этого нужно лишь модифицировать саму структуру полимерных нитей…