Aplicaciones para mora. Instalación de un conjunto de programas. Pronóstico del tiempo en el escritorio

En la parte superior de la foto se puede ver una de las opciones de músculos artificiales (dos tubos). Levantan una llanta de auto que pesa 22 kg. Foto: Instituto de Tecnología de Massachusetts

Los “músculos” artificiales afirman ser actuadores seguros y potentes para una variedad de dispositivos diferentes, desde máquinas convencionales hasta electrónica y robótica implantables. Pero a menudo el diseño y la producción de esos “músculos” son demasiado complejos y costosos, lo que limita su uso. Un grupo de científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts y la Universidad de Harvard han desarrollado un diseño extremadamente simple de un motor biocompatible que cuesta menos de un dolar, aunque es bastante potente para un dispositivo tan primitivo.

Los actuadores pueden estar hechos de diferentes materiales y en diferentes tamaños utilizando diseños de estilo origami publicados. Trabajan en el aire, bajo el agua, al vacío.

El concepto básico del nuevo dispositivo incluye sólo un marco comprimible, capa exterior("piel") y un relleno, que puede ser cualquier material fluido, por ejemplo, aire o agua.

Los experimentos han demostrado que tales unidades son capaces de comprimir hasta el 10% de su longitud máxima, pueden soportar cargas de hasta 600 kPa y la densidad de potencia máxima supera los 2 kilovatios por kilogramo. Esto coincide aproximadamente o incluso supera la densidad de potencia de los músculos humanos.

Diseño, proceso de fabricación y actuadores multiescala resultantes.

En la ilustración de arriba se muestra el funcionamiento de los músculos artificiales, así como el proceso económico para producirlos.

Leyenda

(A) Actuadores lineales en miniatura que utilizan estructuras de polieteretercetona (PEEK) de origami en zigzag como marcos y una película de PVC como "piel". Gracias al uso de materiales biocompatibles, estos actuadores son adecuados para su uso en implantes médicos y electrónica portátil. (B) Unidad grande y potente, ensamblada sobre un marco en zigzag hecho de planchas de impresión de nailon. La “piel” está hecha de nailon recubierto de poliuretano termoplástico. Una rueda de coche que pesa 22 kg se eleva a una altura de 20 cm en 30 segundos (vídeo). (C) Principio de funcionamiento del variador. La contracción muscular se produce principalmente debido a la fuerza de tensión de la “piel”. Esta fuerza es creada por la diferencia de presión entre el entorno fluido interno y externo. La eliminación del material fluido del actuador aumenta temporalmente la presión interna. (D) Proceso de fabricación. Se puede producir rápidamente un variador estándar en tres sencillos pasos: crear un marco utilizando cualquiera de una variedad de métodos de fabricación; preparación de la “piel”; sellando una capa sellada a prueba de humedad.

Actuadores lineales en zigzag fabricados por diferentes metodos de diversos materiales

La parte A muestra un actuador delgado y transparente que levanta la placa acrílica. Aquí el marco está fabricado de tejido de poliéster transparente con un espesor de 0,254 mm mediante corte por láser y plegado manual. Cuero: película de PVC (vinilo) transparente de 0,102 mm de espesor. Material fluido: aire.

En la Ilustración B, el actuador lineal blando funciona bien incluso cuando está encerrado en una tuerca de metal. Marco y piel: caucho de silicona y poliuretano termoplástico de 0,24 mm. Material fluido: aire.

En la Ilustración C, el actuador soluble al vacío se disuelve en agua caliente a aproximadamente 70 °C en cinco minutos. Tanto la montura como la piel están fabricadas en acetato de polivinilo. Material fluido: aire.

Finalmente, la última ilustración muestra cómo el actuador, que utiliza agua en lugar de aire como material fluido sobre una estructura de acero, funciona con éxito bajo el agua, en particular, moviendo un pez de 3,5 centímetros.

"Los actuadores como los músculos artificiales son uno de los mayores desafíos de la ingeniería en general", dice Rob Wood, Ph.D., uno de los cuatro autores. trabajo científico. "Ahora hemos creado actuadores con características similares a los músculos reales, por lo que podemos imaginarnos haciendo casi cualquier robot para casi cualquier tarea".

Investigadores de la Universidad de Columbia en Nueva York han inventado músculos artificiales que pueden levantar cargas miles de veces más pesadas que su propio peso. La técnica de fabricación es tan sencilla y los materiales tan accesibles que cualquiera puede empezar a construir robótica blanda, sobre todo si dispone de una impresora 3D.

A pesar de los impresionantes éxitos, la humanidad todavía está lejos de ser verdaderos "exterminadores". Los algoritmos mejoran constantemente, las máquinas se vuelven más inteligentes, hasta tal punto que inteligencia artificial Incluso Elon Musk empieza a asustarse. ¿Y si Theodore Kaczynski tuviera razón? Pero el hardware se está desarrollando a un ritmo mucho más lento que el software. Los actuadores mecánicos, neumáticos e hidráulicos son demasiado complejos y a menudo poco fiables, los materiales con memoria de forma son caros e ineficientes y los polímeros electroactivos requieren costes energéticos relativamente altos. ¿Qué impulsará a los androides del futuro?

El doctor en Ciencias Aslan Miriyev, investigador del laboratorio Creative Machines de la Universidad de Columbia, propuso su propia versión. La idea es fabricar músculos artificiales a partir de elastómeros de silicona saturados con alcohol común. El alcohol etílico (aunque no necesariamente etílico) juega papel clave, ya que la expansión y contracción muscular se produce como resultado de la transición de microgotas de etanol de la fase líquida a la fase gaseosa y viceversa. Esto se logra mediante calentamiento y enfriamiento: la evaporación del alcohol atrapado en la silicona provoca un aumento de presión y, en consecuencia, una expansión de la estructura elastomérica.

La temperatura requerida se ajusta mediante un elemento calefactor eléctrico lineal o en espiral que penetra en el músculo. Cuando se utiliza etanol, el efecto máximo se logra calentando prolongadamente justo por encima del punto de ebullición de 78,4°C. Cuánto más alto depende de la composición del material utilizado, porque la silicona resistirá la expansión y cuanto mayor sea la densidad del material, mayor será la presión y el punto de ebullición del alcohol. En sus experimentos, Aslan eligió como óptimo un material con un contenido de etanol del 20 por ciento. La mezcla se prepara simplemente mezclando silicona y etanol en las proporciones requeridas hasta que las microburbujas de alcohol se distribuyan uniformemente. La mezcla luego se puede usar para fundición en molde o fabricación aditiva mediante robocasting, que es impresión 3D por extrusión, pero sin calentamiento. Por ejemplo, una extrusora de jeringa. Durante los experimentos, los músculos artificiales demostraron la capacidad de aumentar su volumen en un 900% y soportar cargas repetidas. Entonces, una muestra de seis gramos levantaba y bajaba una carga que pesaba unos seis kilogramos treinta veces seguidas, es decir, ¡mil veces más que la suya! Las cifras máximas son aún mayores: un músculo de dos gramos podría soportar una carga de 12 kg, aunque al límite de sus capacidades.

Hasta ahora todo bien, pero ¿se supone que los músculos se contraen, no se expanden? Está bien. El vector de trabajo puede especificarse mediante capas que restrinjan la expansión en un plano determinado. Por ejemplo, los bíceps y tríceps en la ilustración de arriba están encerrados en una malla de longitud fija, unida en los extremos al hombro y al antebrazo. La expansión diametral conduce a una contracción longitudinal, tal como ocurre con los músculos reales. Este ejemplo utilizó músculos de 13 gramos capaces de levantar hasta un kilogramo de peso cuando se calientan con una bobina de alambre de nicromo de 30 V y 1,5 A. La flexión se puede lograr utilizando capas "pasivas" de materiales flexibles con una resistencia a la tracción relativamente alta aplicadas al lado "interior" del actuador deformable, como en el ejemplo con la pinza en la siguiente ilustración.

El coste de laboratorio para producir tales músculos por gramo no superaba los tres céntimos. Para imprimir estructuras experimentales a partir de termoplásticos, se utilizaron impresoras 3D FDM de escritorio Ultimaker, Ultimaker 2+ y Stratasys uPrint, mientras que los músculos artificiales se imprimieron directamente en una impresora 3D casera de doble extrusora equipada con cabezales de jeringa. El informe completo se puede encontrar en este enlace. Tiene noticias interesantes? ¡Comparte tus novedades con nosotros y se las contaremos a todo el mundo!

Hay proyectos tecnológicos brillantes de los que se ha oído hablar, como los coches autónomos o la energía termonuclear, que probablemente cambiarán seriamente nuestras vidas. Pero también hay ideas que pasan bastante desapercibidas a primera vista; las consecuencias de su implementación pueden conducir a cambios casi más radicales en la vida cotidiana. Mayoría mejor ejemplo"tejido muscular", que apareció en la literatura de ciencia ficción sólo cuando ya se estaba trabajando en los laboratorios para crear músculos artificiales de metal y polímeros, incluso para prótesis humanas.

EN tecnología moderna dos se utilizan principalmente formas efectivas Realización de trabajos mecánicos: termodinámicos y electromagnéticos. El primero se basa en el uso de energía del gas comprimido, como en motores de combustión interna, turbinas de vapor y armas de fuego. El segundo implica campos magnéticos creados por corrientes eléctricas, que es como funcionan los motores eléctricos y los electroimanes. Sin embargo, en la naturaleza viva se utiliza un enfoque completamente diferente para obtener movimiento mecánico: un cambio controlado en la forma de los objetos. Así es exactamente como funcionan los músculos de los humanos y de otros seres vivos. Cuando llega un impulso nervioso, en ellos se desencadenan reacciones químicas que provocan una contracción o, por el contrario, un estiramiento de las fibras musculares.

Las ventajas de este tipo de accionamiento "natural" se deben al hecho de que el material cambia en su conjunto. Esto significa que no hay piezas que se muevan entre sí y, por lo tanto, no hay piezas que rocen ni se desgasten. Además, se preserva la integridad del organismo (o, más correctamente, su coherencia geométrica). El movimiento se produce a nivel molecular o, como ahora está de moda decirlo, a nivel nanométrico, debido al ligero acercamiento o alejamiento de los átomos de una sustancia. Esto prácticamente alivia a los músculos de la inercia tan característica de todos los robots con motores eléctricos. Pero, por supuesto, el impulso muscular también tiene sus desventajas. Si hablamos de músculos vivos, se trata de un consumo constante de componentes químicos que se deben suministrar a cada célula. tejido muscular. Estos músculos sólo pueden servir como parte de un organismo vivo complejo. Otra desventaja está asociada al envejecimiento gradual del material. En un organismo vivo, las células se renuevan periódicamente, pero en un dispositivo técnico monolítico esto es extremadamente difícil de garantizar. En la búsqueda de músculos artificiales, los científicos intentan conservar las ventajas de los sistemas de propulsión que cambian de forma evitando al mismo tiempo sus desventajas.

Memoria de forma

Las primeras investigaciones sobre músculos artificiales estuvieron directamente relacionadas con el efecto de memoria de forma inherente a algunas aleaciones. Fue descubierto en 1932 por el físico sueco Arne Olander utilizando el ejemplo de una aleación de oro y cadmio, pero durante casi 30 años no llamó la atención. atención especial. En 1961, se descubrió accidentalmente la memoria de forma en una aleación de níquel y titanio, un producto que puede deformarse arbitrariamente, pero que cuando se calienta recupera su forma original. Han pasado menos de dos años desde que apareció un producto comercial en los Estados Unidos: una aleación, el nitinol, que lleva el nombre de su composición y lugar de desarrollo (NITINOL NiTi Naval Ordnance Laboratories).

La memoria de forma está garantizada debido al hecho de que la red cristalina del nitinol puede estar en dos estados estables (fases): martensítico y austenítico. A temperaturas superiores a una determinada temperatura crítica, toda la aleación se encuentra en la fase austenítica con una red cristalina cúbica. Cuando se enfría, la aleación pasa a la fase martensítica, en la que, debido a las proporciones geométricas modificadas de las células de la red cristalina, se vuelve plástica. Si se aplica una pequeña fuerza mecánica, a un producto de nitinol en estado martensítico se le puede dar casi cualquier configuración; permanecerá hasta que el objeto se caliente; temperatura crítica. En este momento, la fase martensítica se vuelve energéticamente desfavorable y el metal pasa a la fase austenítica, recuperando su forma anterior.

Así es como se ve en el caso más simple. En la práctica, por supuesto, existen una serie de restricciones a la deformación. Lo principal es que no deben exceder el 78%, de lo contrario ya no será posible restaurar completamente la forma. Los desarrollos posteriores llevaron a la creación de diversas variantes de aleaciones de nitinol. Por ejemplo, hay quienes recuerdan dos formas a la vez una corresponde altas temperaturas, el otro bajo. Y a temperaturas intermedias, el material puede deformarse arbitrariamente, pero recordará una de sus dos formas cuando se caliente o se enfríe.

Hoy en día, más de una docena de aleaciones con memoria de forma basadas en diferentes elementos. Sin embargo, la familia de aleaciones de nitinol sigue siendo la más común. El efecto de memoria de forma en las aleaciones a base de NiTi es claramente pronunciado y el rango de temperatura se puede controlar con buena precisión desde varios grados hasta decenas introduciendo diversas impurezas en la aleación. Además, el nitinol es económico, fácil de procesar, resistente a la corrosión y tiene buenas características físicas y mecánicas: por ejemplo, su resistencia a la tracción es sólo 2x4 veces menor que la del acero.

Quizás la principal desventaja de tales aleaciones. por mucho tiempo hubo un pequeño margen de ciclicidad. El número de deformaciones controladas no superó un par de miles de iteraciones, tras las cuales la aleación perdió sus propiedades.

En un abrir y cerrar de ojos

NanoMuscle pudo resolver este problema. En el invierno de 2003, en la feria internacional del juguete de Nueva York, presentó una muñeca inusual, Baby Bright Eyes. El juguete copió de manera muy realista las expresiones faciales de los ojos de un niño pequeño, lo cual es casi imposible de lograr con la ayuda de motores microeléctricos utilizados tradicionalmente en la industria del juguete: son demasiado inerciales. Al mismo tiempo, el coste de la muñeca (en producción en masa) se estimó en sólo 50 dólares, lo que tenía un aspecto absolutamente fantástico.

Al crear el prototipo de muñeca, los ingenieros de NanoMuscle lograron superar las limitaciones del ciclismo mediante el uso de nanopartículas de titanio y níquel, y también desarrollaron software, que controla la aleación de forma más suave, por lo que el ciclo de vida de dichos nanomúsculos supera los cinco millones de iteraciones. Las nanopartículas se conectaron en fibras delgadas con un diámetro de aproximadamente 50 micrones y con ellas se tejió un alambre de varios centímetros de largo, que podía cambiar la longitud en un 12 x 13% (otro récord).

La potencia del dispositivo, llamado NanoMuscle Actuator, también es impresionante. A igual masa, el nanomúsculo produce mil veces más potencia que los músculos humanos y 4.000 veces más potencia que un motor eléctrico, mientras funciona en sólo 0,1 segundos. Pero lo que es especialmente importante es que gracias al diseño compuesto, NanoMuscle Actuator no salta de un estado a otro, sino que puede moverse suavemente a una velocidad determinada.

El nanomúsculo utilizado para mover los ojos del muñeco estaba controlado por un microprocesador de 8 bits y tenía una tensión de alimentación de 1,8 voltios. Su precio estimado en producción industrial no supera los 50 centavos. Posteriormente se introdujo toda una familia de juguetes de este tipo con un gran número elementos en movimiento. Y pronto, la empresa de riesgo NanoMuscle fue absorbida por la corporación china de rápido crecimiento Johnson Electric, que se especializa en la producción de accionamientos eléctricos para una amplia variedad de equipos, desde reproductores de DVD hasta espejos de automóviles.

Casi al mismo tiempo, en la Universidad de Texas, el nanotecnólogo Ray Baughman descubrió cómo hacer que los músculos metálicos funcionen sin electricidad, directamente a partir de combustible químico, lo que podría ser útil en sistemas con altos requisitos de autonomía. Recubrió un cable hecho de una aleación con memoria de forma con un catalizador de platino y comenzó a soplarlo con una mezcla de vapores de metanol, hidrógeno y oxígeno. En un ambiente gaseoso, debido a la baja concentración, la reacción prácticamente no ocurre, pero se libera bastante calor sobre la superficie cubierta con el catalizador. Un aumento de temperatura obligó al cable a cambiar de longitud, después de lo cual se detuvo el suministro de metanol y, después de un tiempo, el cable se enfrió y volvió a su longitud original. Puede que esto no parezca una gran idea, pero no es necesario que los músculos metálicos involucrados impulsen directamente las extremidades o las ruedas del robot. Si hay muchos músculos de este tipo y trabajan alternativamente, entonces el propulsor resulta bastante estable y, en combinación, también servirá como una pila de combustible que genera energía para la electrónica de a bordo.

Polímeros electroactivos

Pero los metales con memoria de forma no son el único método para crear músculos artificiales. El Dr. Joseph Bar-Cohen del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA está desarrollando una tecnología alternativa llamada polímero electroactivo (EAP) y ya ha recibido 18 patentes y dos medallas de la NASA en este campo. A principios de 2001, su laboratorio contaba con dos tipos de músculos artificiales.

Una de ellas son las cintas poliméricas hechas de carbono, oxígeno y flúor. Al enviar corriente eléctrica la distribución de cargas en la superficie de dicha cinta cambia y se dobla. El laboratorio del Dr. Bar-Cohen ya ha mostrado a los periodistas un manipulador sencillo formado por cuatro cintas que permite agarrar un objeto pequeño y levantarlo del suelo (en el futuro, se supone que será de la superficie de otro planeta). . Es obvio que la complejidad y variedad de posibles movimientos de tal agarre dependen únicamente de la configuración de las cintas de polímero. En la grabación de vídeo, el movimiento de estos músculos poliméricos parece completamente inusual: las cintas, sujetas en un tornillo de banco, de repente comienzan a doblarse hacia arriba y hacia abajo, al principio lentamente, como los pétalos de una flor, pero luego más rápido y con más frecuencia, y ahora ya ni siquiera son visibles, como las alas de un mosquito en vuelo.

Los dispositivos del segundo tipo se diferencian por su geometría: las placas EAP se enrollan en tubos como las hojas de tabaco en un cigarro. Cuando se aplica voltaje, los tubos comprimen y comprimen el núcleo elástico, provocando que se estire. La NASA espera que estos dispositivos puedan utilizarse en una nueva generación de rovers. Por ejemplo, en uno de los proyectos se propone que en lugar de enviar uno o dos vehículos de ruedas pesadas, se esparzan cientos de bolas con sensores y adaptadores alrededor del punto de aterrizaje. red inalámbrica y propulsores basados ​​​​en músculos artificiales del segundo tipo, que permitirán que las bolas salten de un lugar a otro. Esto permitirá inspeccionar de forma rápida y económica un área completa a la vez. Por cierto, modelos modernos Los EAP ya proporcionan un tiempo de actuación de menos de 0,1 segundos, el doble de alargamiento del empujador y una fuerza de 1.000 veces su peso en la Tierra, suficiente para saltar a planetas distantes.

Duelo con un robot

Hace dos años, Bar-Cohen y varios jefes de laboratorios competidores decidieron montar un pequeño espectáculo para popularizar sus desarrollos: un torneo de pulseada con un brazo artificial. El comunicado de prensa presentó el evento con la siguiente frase decisiva: “Si gana el brazo automatizado, abrirá la puerta a muchas tecnologías nuevas en la medicina, los asuntos militares e incluso la industria del entretenimiento”.

Los organizadores del torneo dejaron la elección del oponente, o más bien rival, al equipo de televisión y eligieron a la estudiante de secundaria Panna Felsen, que fundó un club de robótica en su escuela de San Diego. Tuvo que competir con tres brazos artificiales según reglas cercanas a las clásicas. Su cumplimiento fue supervisado por dos luchadores de brazos profesionales. El espectáculo fue un gran éxito, pero enfrió un poco a algunos exaltados: ni una sola mano podía resistir a una chica indudablemente hermosa, pero frágil.

Su primer rival fue un manipulador de la empresa estadounidense Environmental Robots Incorporated con dos músculos artificiales. La pelea con el robot duró 24 segundos. El segundo y tercer oponente duraron sólo 4 y 3 segundos, respectivamente. El torneo reveló, además de los problemas puramente energéticos, que siempre pueden solucionarse aumentando el número de placas de polímero, otras graves deficiencias de los dispositivos. Por ejemplo, el tercer brazo, creado en Virginia Tech, utilizó procesos químicos en lugar de impulsos eléctricos para activar el polímero. Según sus desarrolladores, esta solución es mucho más natural para la futura implementación de músculos artificiales. Sin embargo, durante el espectáculo se reveló plenamente la lentitud del mecanismo de activación química: el músculo artificial comenzó a funcionar sólo unos segundos después del inicio de la pelea, por lo que el manipulador fue derrotado incluso antes de que alcanzara el modo de funcionamiento.

Infancia de un campeón

Uno de los principales competidores del grupo Bar-Cohen es Artificial Muscle, que se toma muy en serio su misión: “Llevar al mercado unidades de estado sólido que hagan con los motores y las bombas lo que los semiconductores hicieron con los tubos de vacío”. Artificial Muscle utiliza los mismos polímeros electroactivos que las unidades de “estado sólido”, pero para diferenciarse de la competencia, utilizan una abreviatura diferente EPAM (Electroactive Polymer Artificial Muscle). Según los desarrolladores, en el futuro los músculos artificiales superarán a todos los demás accionamientos mecánicos (electromagnéticos, neumáticos, hidráulicos y piezoeléctricos) en todos los aspectos: coste, ruido, velocidad, peso y densidad de potencia.

Pero eso será en el futuro, pero por ahora el músculo artificial de polímero EPAM de una sola capa es capaz de desarrollar una fuerza de sólo 0,5 Newton (el peso de una pesa de 50 gramos). Es cierto que al agregar docenas de estas capas, puede obtener un efecto bastante significativo. Estos dispositivos ya se ofrecen, por ejemplo, a los fabricantes de cámaras como accionamientos para el mecanismo de enfoque automático.

Los músculos artificiales se están desarrollando rápidamente, pero muchos de los resultados ya están ocultos detrás de la cortina. secreto comercial, por lo que es difícil hablar de qué indicadores están batiendo récords hoy. Pero, por ejemplo, la capacidad de soportar hasta 17 mil ciclos de compresión-extensión por segundo, declarada por Artificial Muscle, tiene muchas posibilidades de convertirse en un récord de velocidad en el mundo de los músculos artificiales. Así es la oportunidad material polimérico cambiar su longitud en 3,8 veces, logrado en el laboratorio de la empresa. Por supuesto, tal "burla" de una sustancia no puede continuar por mucho tiempo, y si se requiere que un músculo polimérico funcione de manera confiable millones de veces, no debería cambiar su longitud en más de un 15%. Al menos en el nivel actual de desarrollo de esta industria.

armadura electromuscular

Pero los nobles intereses científicos de especialistas como el Dr. Joseph Bar-Cohen no pueden compararse con la cantidad de financiación y capacidades técnicas de laboratorios que no dudan en trabajar para el ejército, como BAE Systems. Esta empresa cumple órdenes militares para casi todos los países técnicamente desarrollados del mundo y, por lo tanto, la información sobre sus desarrollos aparece con bastante frecuencia, a pesar del régimen de secreto.

Esta vez, la filtración se produjo a través de una pequeña empresa británica, H. P. White Laboratory, que se dedica principalmente a probar la resistencia de los sistemas de protección: armaduras, cristales antibalas y chalecos antibalas. Según las leyes británicas, la información sobre las actividades de las empresas militares y médicas no puede ocultarse completamente tras el secreto de las patentes, por lo que sus informes pueden rastrear indirectamente el desarrollo de nuevos avances en el ámbito militar. Esta vez, los investigadores propusieron utilizar el principio EAP para crear una "armadura de tensión múltiple", que es una estructura multicapa de una gran cantidad de cintas de polímero intercaladas con micropartículas de cerámica duradera y partículas magnetizadas orientadas de cierta manera. Una bala que golpea la armadura provoca una deformación inicial y provoca un desplazamiento brusco de las partículas magnetizadas. Debido a la inducción, un corto impulso electrico, lo que hace que las cintas de polímero se compriman, lo que aumenta drásticamente la resistencia de la armadura, ya que las partículas de cerámica de la armadura incrustadas tienen una silueta determinada que les permite adherirse en un recubrimiento continuo cuando se comprimen.

La ventaja más importante de este sistema es que la máxima "densidad" de la armadura se forma exactamente en el punto de impacto de la bala, disminuyendo gradualmente en los lados. Como resultado, la energía cinética de la bala se distribuye uniformemente en casi toda el área de la armadura. La armadura resultó ser más voluminosa, pero mucho más ligera que sus homólogas modernas. Si anteriormente una ráfaga de un rifle automático en un chaleco antibalas no mataba a una persona, pero estaba garantizado que la incapacitaría durante al menos decenas de minutos, entonces, según cálculos preliminares, el nuevo sistema de protección Ni siquiera dejará moretones en el cuerpo del soldado.

Hasta la fecha, los músculos artificiales se utilizan principalmente en áreas específicas que tradicionalmente cuentan con un fuerte apoyo gubernamental. civiles e incluso investigación medica notablemente detrás de los militares. Los desarrolladores de músculos artificiales guardan cuidadosamente los secretos de su producción. Por ejemplo, Artificial Muscle ni siquiera vende sus cintas de polímeros a nadie, sólo unidades ya preparadas basadas en ellas. En algún momento, la situación resultó ser tan atroz que el grupo de Bar-Cohen simplemente publicó varias recetas simples para fabricar polímeros electroactivos en su sitio web para que más investigadores independientes pudieran involucrarse en el trabajo. Los primeros dispositivos disponibles públicamente que utilizan las capacidades básicas de los músculos artificiales aparecerán en la próxima década y tienen todas las posibilidades de convertirse en una innovación revolucionaria que abrirá el camino a la creación de aparatos autopropulsados ​​multifuncionales y económicos. robots domésticos. Y no sólo robots. Según el Dr. Bar-Cohen, el desarrollo de esta tecnología recuerda mucho al auge inventivo de finales del siglo XIX y principios del XX: los materiales son fácilmente accesibles, cualquier estudiante con la cabeza despejada puede realizar experimentos e investigaciones, y Los costos monetarios son mínimos.

Así que sólo queda tener paciencia y, después de diez años, sacudir a fondo el contenido de la estantería de ciencia ficción para deshacerse de los irremediablemente obsoletos. técnicamente libros.

Ciencia y vida // Ilustraciones

Ciencia y vida // Ilustraciones

No han pasado ni diez años desde el descubrimiento de estructuras exóticas: los nanotubos de carbono, pero siguen sorprendiendo a los investigadores. Los nanotubos de carbono son las hojas más delgadas del conocido grafito, enrolladas en un tubo con un diámetro de 0,7 a 1,5-2,0 nm y una longitud de hasta varias micras (ver "Ciencia y vida" No. 11, 1993).

La alta resistencia del enlace carbono-carbono, el tamaño pequeño, la estructura de malla de las capas de nanotubos (consisten en hexágonos conectados) y la ausencia de defectos confieren sus propiedades mecánicas inusuales: son de 10 a 12 veces más resistentes y 6 veces más ligeros que el acero. Un hilo de 1 mm de diámetro hecho de tales nanotubos podría soportar una carga de 20 toneladas, cientos de miles de millones de veces su propio peso. Y el diámetro de un solo nanotubo es tan pequeño (50 mil veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano) que un nanocable que une la Tierra con la Luna podría enrollarse en un carrete del tamaño de una semilla de amapola.

Todo esto despierta un considerable entusiasmo entre los científicos de materiales, que recientemente recordaron, por ejemplo, incluso la fantástica idea del escritor estadounidense Arthur C. Clarke de conectar una nave espacial en órbita geoestacionaria con un ascensor hasta la Tierra.

Las propiedades electrónicas inusuales de los nanotubos de carbono están a punto de encontrar su camino en las primeras pantallas de emisores de campo y microscopios de efecto túnel, y han impulsado una gran cantidad de trabajo para intentar crear un transistor molecular que sería órdenes de magnitud más pequeño en tamaño que el más pequeño. dispositivos electrónicos existentes.

Otra área de su uso fue descrita por un mensaje que se convirtió en una sensación científica.

En febrero-marzo de 1999 se celebró en la localidad de Kirchberg, en Tirol (Austria), la 13ª Escuela Internacional de Invierno sobre las propiedades electrónicas de nuevos materiales. Entre los numerosos informes sobre nanotubos, llamó la atención el informe de un grupo de investigación internacional dirigido por Ray Baughman, empleado de la empresa Allied Signal. El informe estaba dedicado a la creación de músculos artificiales y luego fue presentado en un artículo publicado en la revista Science (Science, 1999. v. 284, N. 5418, p. 1340-1344, 21 de mayo).

Llevan mucho tiempo intentando crear músculos artificiales y se han explorado varias formas de solucionar este problema. Puedes, por ejemplo, utilizar el efecto piezoeléctrico: cambiar el tamaño de un cristal o cerámica cuando se aplica. voltaje electrico. Se puede "jugar" con la capacidad de las sustancias en capas para expandirse en una dirección perpendicular al plano de las capas cuando se introducen entre las capas de productos químicos. Pero estos métodos son complicados o ineficaces.

El grupo de Bauchman utilizó un principio diferente. Los nanotubos de carbono se pueden obtener en forma de láminas de nanopapel, en las que los tubos están entrelazados y entrelazados entre sí. Este nanopapel se puede coger y cortar en tiras. Los primeros experimentos fueron sorprendentemente sencillos.

Los investigadores pegaron dos tiras de nanopapel en lados opuestos de una cinta adhesiva, colocaron electrodos en los extremos y los sumergieron en una solución salina que proporciona conductividad eléctrica. Cuando se encendía una batería eléctrica que producía un voltaje de varios voltios, ambas tiras de nanopapel se alargaban ligeramente, pero la que estaba conectada al terminal negativo de la batería se alargó más y se doblaron. Actuó el músculo artificial (actuador).

Por supuesto, un dispositivo de este tipo es demasiado primitivo para usarlo hoy en día en lugar de bíceps y tríceps. Pero ya está claro que este diseño es mucho más prometedor que cualquier otro. En lugar de una solución salina, se propone utilizar un polímero conductor, creando un material compuesto ligero y duradero.

Ya se ha demostrado que los músculos artificiales serán al menos tres veces más “fuertes” que los normales, es decir, podrán soportar mucho cargas pesadas con las mismas dimensiones. A diferencia de los metales, los nanotubos de carbono no se descomponen por fatiga y pueden funcionar a temperaturas bastante altas. Y el voltaje y la corriente utilizados para su funcionamiento son pequeños.

Con el tiempo, se pueden utilizar músculos artificiales para crear prótesis de órganos y músculos individuales (por ejemplo, el corazón). A partir de ellos será fácil construir "manos" y "dedos" de robots que funcionen en el frío del espacio o en temperaturas de 1.000 grados, en el vacío y en un ambiente de gases agresivos.

El músculo de carbono también se puede utilizar para producir energía porque, según Bauchman, el efecto es reversible: doblar y extender las tiras crea un potencial eléctrico. Los elementos conectados en cadena pueden utilizar la energía de las olas, los flujos y reflujos en un nuevo tipo de central eléctrica. Cada coche podría llegar a estar equipado con un dispositivo ligero que recargaría las baterías al frenar.

Músculos artificiales hechos con hilo de pescar de nailon.

Puede realizar un experimento entretenido con un hilo de pescar común hecho de material polimérico. Si estira el hilo de pescar a lo largo y, sosteniendo un extremo, gira el otro alrededor de su eje durante mucho tiempo, se forman anillos densos en el hilo de pescar y adquiere la apariencia de un resorte en espiral. Cuando se calienta, este resorte se contrae y cuando se enfría se alarga. Un equipo de escolares de Novosibirsk investigó las propiedades de este "músculo artificial" en el Torneo Internacional de Jóvenes Físicos IYPT-2015. Curiosamente, para describir cuantitativamente la contracción de dichos músculos, se puede utilizar el teorema de Kalugaryan-White-Fuller, que anteriormente encontró aplicación en biología molecular al describir el ADN superenrollado.

Las fibras musculares artificiales, capaces de contraerse repetidamente bajo la influencia de un estímulo externo y realizar trabajo mecánico, podrían en un futuro próximo encontrar uso en una variedad de aplicaciones, desde exoesqueletos y robots industriales a las tecnologías de microfluidos. El desarrollo y la investigación de músculos artificiales se llevan a cabo en diferentes direcciones: metales con memoria de forma, polímeros electroactivos, haces de nanotubos de carbono. Más recientemente, un grupo de investigadores propuso utilizar espirales hechas de hilo de pescar común como músculos artificiales económicos y altamente efectivos (Haines et al., 2014). Un músculo artificial de este tipo se contrae notablemente cuando se calienta y se alarga de nuevo cuando se enfría. A los participantes en el Torneo Internacional de Jóvenes Físicos IYPT-2015 se les pidió que fabricaran un músculo espiral con hilo de pescar de nailon y estudiaran sus propiedades en la tarea "Músculo artificial".

Los músculos necesitan entrenamiento

En nuestros experimentos utilizamos un hilo de pescar con un diámetro de 0,7 mm. Para enrollarlo en espiral, fijamos el taladro eléctrico en posición vertical, sujetamos un extremo del hilo de pescar en el mandril y colocamos un peso de 3 N en el otro extremo; con este peso el hilo de pescar no se romperá. pero se curvará formando una espiral uniforme. Durante el proceso de torsión, la carga debe elevarse hacia arriba sin girar alrededor de un eje vertical, para lo cual se instala un bloqueo.

Cuando las fibras longitudinales de la superficie del hilo de pescar se curvan aproximadamente a 45° con respecto al eje longitudinal, el hilo de pescar comienza a retorcerse formando una espiral apretada. Cuando se tuerce, un trozo inicial de hilo de pescar de 1 m de largo se convierte en una espiral de 17 cm. Al mismo tiempo, el nailon sufre una fuerte deformación plástica que después de eliminar la fuerza de rotación la espiral casi no se desenrolla. En principio, este nuevo estado de las fibras se puede arreglar calentando lentamente la línea hasta una temperatura cercana al punto de fusión y luego enfriándola.

Para evitar que la espiral se desenrolle durante las pruebas posteriores, componemos un músculo artificial a partir de dos espirales con rizos derecho e izquierdo, fijándolos en paralelo. Se fijó una carga de elevación desde abajo al músculo suspendido verticalmente. Para contraer el músculo, se alimentaba a través de un tubo hasta su extremo superior. agua caliente, que fluía libremente por las espirales. La temperatura del músculo se midió con un sensor térmico adjunto y el alargamiento se midió con un sensor de desplazamiento ultrasónico.

El trabajo realizado por el motor para mover la carga contra una fuerza que actúa constante es igual al producto de la magnitud de la fuerza y ​​el desplazamiento. Por ejemplo, cuando se mueve una carga suspendida libremente que pesa 10 N hacia arriba (es decir, en la dirección opuesta al vector de gravedad) 0,03 m, el ascensor realiza 10 N × 0,03 m = 0,3 J de trabajo.

Habiendo medido en varias pruebas sucesivas cómo depende de la temperatura la longitud de un músculo con una carga de 10 N suspendida, descubrimos el efecto del entrenamiento: después de los primeros ciclos de calentamiento y enfriamiento, el músculo se hizo más largo, pero a partir de la cuarta vez los ciclos comenzaron a reproducirse, de modo que el músculo entrenado tenía 200 mm de largo cuando se calentaba de 20 a 80  °C, se contraía 30 mm cada vez, realizando un trabajo de 0,3 J, y luego se estiraba la misma cantidad cuando se enfriaba. Cuando se calentó, la espiral absorbió energía térmica de 50 J, de modo que la eficiencia del músculo fue del 0,06 %.

Giro y serpentina

Expliquemos ahora por qué la hélice de nailon se contrae a medida que aumenta la temperatura. La experiencia demuestra que cuando se calienta, un hilo de pescar desenrollado con una carga suspendida también se contrae, aunque no de forma tan notable. Esta reducción se debe a la anisotropía del material del que está hecho el hilo de pescar. Cuando el nailon fundido pasa a través de una hilera, las largas moléculas de polímero se orientan a lo largo de la línea. Cuando se calientan, las fibras poliméricas cargadas se comportan de la misma manera que los hilos de caucho estirado (Treloar, 1975): se contraen, aumentando la entropía del sistema.

Ahora considere el hilo de pescar, torcido hasta el punto en que comienza a curvarse en espiral. Como ya se mencionó, en este estado las fibras longitudinales en la superficie del hilo de pescar están curvadas aproximadamente a 45° con respecto al eje. Cuando el hilo se calienta, las fibras retorcidas se contraen, lo que hace que el hilo se desenrolle. Para simplificar, asumiremos que si las fibras se reducen en un 1 %, entonces el número de revoluciones que se desenrosca el hilo de pescar es el 1 % del número total de revoluciones que se retuerce.

Sólo tenemos que descubrir cómo se relacionan la contracción de las fibras y la contracción del músculo espiral. Desarrollar un modelo matemático simple para describir esta relación fue una parte importante de nuestra solución al problema. Como resultado, para describir la contracción de la espiral, aplicamos la fórmula de Calugareanu-White-Fuller (CWF):

lo cual fue probado en geometría diferencial (Călugăreanu, 1959; White, 1969; Fuller, 1971), y luego encontró aplicación en biología molecular en la descripción del ADN superenrollado (Fuller, 1978; Pohl, 1980).

Número de compromiso Lk (inglés – número de enlace) en esta fórmula muestra cuántas vueltas se torció el extremo inferior del hilo de pescar en relación con el superior. Este número es una invariante topológica: permanece sin cambios bajo deformaciones de la espiral si el extremo inferior de la línea no se desenrolla con respecto al superior.

La fórmula CWF dice que el número de apalancamiento se puede descomponer en dos términos: Tw ( retortijón) y Wr ( escribiendo), cuya suma permanece sin cambios en nuestro experimento. El número Tw caracteriza la torsión de las fibras dentro del hilo de pescar (primario); número Wr – giro externo del propio hilo de pescar (secundario), cuando forma una espiral espacial.

Para comprender mejor el significado de esta fórmula, tome un cordón de plástico delgado, dibuje una línea recta en su superficie con un marcador y luego enrolle el cordón en espiral alrededor de un trozo de tubo grueso de modo que la línea dibujada mire hacia afuera del tubo. . Supongamos que el cable se enrolla alrededor del tubo 5 vueltas. En este estado, la torsión interna de las fibras del cordón es Tw = 0, y el número de compromiso es igual al giro externo: Lk = Wr = 5. Ahora agarre los extremos del cordón con ambas manos, retire el cordón del tubo sin soltar las manos, y estírela. El cordón se estiró en línea recta, los anillos espaciales desaparecieron y ahora su giro externo Wr = 0. Al mismo tiempo, el cordón resultó estar torcido alrededor de su eje y el número de revoluciones de su giro interno se volvió igual al número de compromiso: Tw = Lk = 5.

En los trabajos matemáticos mencionados anteriormente, se encontró una fórmula matemática para calcular el giro externo Wr en caso general. Para una torsión uniforme en espiral, esta fórmula se simplifica enormemente (Fuller, 1978), tomando la forma

Wr = norte∙(1 – sen α),

Dónde norte es el número de vueltas de la espiral exterior, α es el ángulo de elevación de la hélice de la espiral.

Cuando torcimos un hilo de pescar de un metro de largo en espiral, el portabrocas hizo 360 ​​revoluciones antes de que se formaran las alas (bucles) y 180 revoluciones después de que se formaran las alas; en este caso, por cada revolución aparecía un nuevo cordero. Esto significa que ya no se producía la torsión interna de la línea durante la formación de las alas, por lo que el músculo terminado se caracterizó por los números Tw = 360, Wr = 180.

La experiencia muestra que el hilo de pescar de nailon sin torcer se contrae un 1,1 % cuando se calienta de 20 a 80°C. Suponemos que esta contracción de las fibras conduce a una disminución de la torsión interna Tw también de un 1,1 %, es decir, de 4 vueltas. Así, la torsión externa Wr aumenta en 4 vueltas, es decir, en un 2,2 %. Número de vueltas en espiral norte no cambia, lo que significa que el valor de la expresión (1 – sen α) aumenta en un 2,2%, es decir, el valor del ángulo α disminuye, por lo que la espiral se acorta. En el músculo espiral terminado, sen α ≈ 0,16, por lo que un aumento en el valor de (1 – sen α) en un 2,2 % conduce a una disminución en sen α en un 13 %. Así es exactamente como se redujo la altura de la espiral en nuestro experimento.

Ciertamente, modelo aceptado– es bastante aproximado, pero da resultados consistentes con el experimento. Su principal ventaja es su sencillez: en lugar de describir la estructura de las fibras del hilo de pescar, operamos con números Tw, Wr y Lk que se calculan fácilmente de forma experimental. Toda la crudeza del modelo radica en el supuesto de que la reducción relativa de la torsión interna de la hélice es igual a la reducción relativa de las fibras del hilo de pescar sin torcer con el mismo cambio de temperatura. Esta suposición podría probarse en un experimento indirecto con un hilo de pescar retorcido hasta el punto en que las aletas están a punto de comenzar a formarse en él, y fijado en este estado calentándolo a una temperatura cercana al punto de fusión del nailon y enfriándolo posteriormente.

Literatura

Călugăreanu G. L’ intégral de Gauss et l’analyse des noеuds tridimensionnels // Rev. Matemáticas. Pures Appl. 1959. V. 4. P. 5–20.

Cherubini A., Moretti G, Vertechy R., Fontana M. Caracterización experimental de músculos artificiales activados térmicamente a base de hilos de pescar de nailon enrollados // AIP Advances. 2015. V. 5. Doc. 067158.

Haines C. S., Lima M. D., Na Li et al. Músculos artificiales de hilo de pescar e hilo de coser // Ciencia. 2014. V. 343. P. 868–872.

Fuller F. B. El número retorcido de una curva espacial // ​​Proc. Nat. Acad. Ciencia. EE.UU. 1971. V. 68. P. 815–819.

Fuller F. B. Descomposición del número de enlace de una cinta cerrada: un problema de biología molecular // Proc. Nat. Acad. Ciencia. EE.UU. 1978. V. 75. P. 3557–3561.

Pohl W. F. ADN y geometría diferencial // Matemáticas. Inteligencia. 1980. V. 3. P. 20-27.

Treloar L. R. G. La física de la elasticidad del caucho. Prensa de la Universidad de Oxford, 1975.

White J. H. Autoenlace y la integral de Gauss en dimensiones altas // Am. J. Matemáticas. 1969. V. 91. P. 693–728.