Приложения для blackberry. Установка набора программ. Прогноз погоды на рабочем столе
Один из вариантов искусственных мышц можно увидеть в верхней части фотографии (две трубочки). Они поднимают автомобильную покрышку весом 22 кг. Фото: Массачусетский технологический институт
Искусственные «мышцы» претендуют на роль безопасных и мощных приводов для множества различных устройств: от обычных машин до имплантируемой электроники и робототехники. Но часто конструкция и производство таких «мышц» слишком сложны и дороги, что ограничивает их использование. Группа учёных из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета разработали предельно простую конструкцию биосовместимого привода стоимостью менее доллара , при этом достаточно мощного для столь примитивного устройства.
Приводы можно изготавливать из разных материалов и разного размера, используя опубликованный дизайн в стиле оригами. Они работают в воздухе, под водой, в вакууме.
Базовая концепция нового устройства включает в себя только сжимаемый каркас, внешнюю оболочку («кожу») и наполнитель, коим может быть любой флюидный материал, например, воздух или вода.
Эксперименты показали, что подобные приводы способны сжиматься до 10% своей максимальной длины, они выдерживают нагрузку до 600 кПа, а максимальная удельная мощность превышает 2 киловатта на килограмм. Это примерно соответствует или даже превышает удельную мощность человеческих мышц.
Дизайн, процесс производства и получившиеся многомасштабные приводы
Работа искусственных мышц, а также дешёвый процесс их производства показан на иллюстрации вверху.
Легенда
(А) Миниатюрные линейные приводы с применением зигзагообразных оригами-структур из полиэфирэфиркетона (PEEK) в качестве каркасов и плёнки ПВХ в качестве «кожи». Благодаря применению биосовместимых материалов такие приводы пригодны для использования в медицинских имплантатах и носимой электронике. (В) Большой мощный привод, собранный на зигзагообразном каркасе из нейлоновых печатных форм. «Кожа» сделана из нейлона с покрытием из термопластичного полиуретана. Автомобильное колесо весом 22 кг поднимается на высоту 20 см за 30 секунд (видео). (С) Принцип работы привода. Сокращение мышц происходит, в основном, за счёт силы натяжения «кожи». Эта сила создаётся разницей давления между внутренней и внешней флюидной средой. Удаление флюидного материала из привода временно увеличивает внутреннее давление. (D) Процесс производства. Стандартный привод можно быстро произвести в три простых этапа: создание каркаса, используя любой из множества способов производства; подготовка «кожи»; запечатка герметичного влагонепроницаемого слоя.
Линейные зигзагообразные приводы, изготовленные разными методами из различных материалов
В части A показан тонкий прозрачный привод, который поднимает акриловую пластину. Здесь каркас изготовлен из прозрачного полотна полиэстера толщиной 0,254 мм методом лазерной резки и ручной складки. Кожа: прозрачная плёнка ПВХ (винил) толщиной 0,102 мм. Флюидный материал: воздух.
На иллюстрации В мягкий линейный привод хорошо работает даже будучи заключённым в металлическую гайку. Каркас и кожа: силиконовая резина и термопластичный полиуретан 0,24 мм. Флюидный материал: воздух.
На иллюстрации С вакуумный растворимый привод растворяется в горячей воде при температуре около 70°С за пять минут. И каркас, и кожа изготовлены из поливинилацетата. Флюидный материал: воздух.
Наконец, на последней иллюстрации показано, что привод с водой вместо воздуха в качестве флюидного материала на стальном каркасе успешно работает под водой, в частности, передвигает 3,5-сантиметровую рыбку.
«Приводы типа искусственных мышц - это одна из самых главных задач вообще в инженерном деле, - говорит кандидат наук Роб Вуд (Rob Wood), один из четырёх авторов научной работы. - Теперь мы создали приводы с характеристиками, сходными с настоящими мышцами, так что можно представить изготовление практически любого робота для практически любой задачи».
Исследователи из Колумбийского университета в Нью-Йорке изобрели искусственные мышцы, способные поднимать грузы в тысячи раз тяжелее собственной массы. Методика изготовления настолько проста, а материалы настолько доступны, что заняться конструированием мягкой робототехники может любой желающий, особенно если в наличии имеется 3D-принтер.
Несмотря на сногсшибательные успехи , до настоящих «терминаторов» человечеству еще далеко. Алгоритмы постоянно совершенствуются, машины становятся все умнее – настолько, что искусственного интеллекта начинает побаиваться даже Илон Маск. А вдруг Теодор Качинский был прав? Но вот «железо» развивается куда более медленными темпами, чем «софт». Механические, пневматические и гидравлические актуаторы слишком сложны, да и зачастую ненадежны, материалы с эффектом памяти формы дороги и неэффективны, а электроактивные полимеры требуют относительно высоких энергетических затрат. Чем же приводить в движение андроидов будущего?
Свой вариант предложил доктор наук Аслан Мирийев, научный сотрудник лаборатории Creative Machines при Колумбийском университете. Идея заключается в изготовлении искусственных мышц из силиконовых эластомеров, насыщенных обычным питьевым спиртом. Этиловый спирт (хотя необязательно этиловый) играет ключевую роль, так как расширение и сокращение мышц происходит в результате перехода микрокапель этанола из жидкой фазы в газообразную и обратно. Достигается это за счет нагревания и охлаждения: испарение пойманного в силиконе спирта приводит к росту давления и, соответственно, расширению эластомерной конструкции.
Необходимая температура задается пронизывающим мышцу линейным или спиральным электрическим нагревательным элементом. При использовании этанола максимальный эффект достигается продолжительным нагреванием чуть выше точки кипения в 78,4°С. Насколько выше, зависит от состава используемого материала, ведь силикон будет сопротивляться расширению, а чем выше плотность материала, тем выше давление и температура кипения спирта. В своих опытах Аслан остановился на материале с 20-процентным содержанием этанола, как на оптимальном. Изготавливается смесь простым смешиванием силикона и этанола в необходимых пропорциях до равномерного распределения микропузырьков спирта. Затем смесь можно использовать для литья в формы или аддитивного производства методом робокастинга, то есть экструзионной 3D-печати, но без нагревания. Например, шприцевым экструдером. В ходе экспериментов искусственные мышцы продемонстрировали способность увеличиваться в объеме на 900% и выдерживать многократные нагрузки. Так, шестиграммовый образец тридцать раз подряд поднимал и опускал груз массой около шести килограммов, то есть в тысячу раз больше собственной! Максимальные же показатели и того выше: двухграммовый мускул осилил нагрузку в 12 кг, хотя и на пределе возможностей.
Пока все замечательно, но ведь мышцы должны сокращаться, а не расширяться? Ничего страшного. Рабочий вектор можно задавать оболочками, сдерживающими расширение в заданной плоскости. Например, бицепсы и трицепсы на иллюстрации выше заключены в сетку фиксированной длины, прикрепленную концами к плечу и предплечью. Диаметральное расширение приводит к продольному сокращению, как это происходит с настоящими мускулами. В этом примере использовались 13-граммовые мышцы, способные поднимать вес до одного килограмма при нагревании спиральным элементом из нихромовой проволоки под напряжением 30В с силой тока в 1,5А. Изгиб же можно задавать с помощью «пассивных» слоев из гибких материалов с относительно высоким сопротивлением на растяжение, наносимых на «внутреннюю» сторону деформируемого актуатора, как в примере с захватом на иллюстрации ниже.
Лабораторная стоимость изготовления таких мышц в пересчете на грамм не превышала трех центов. Для печати опытных конструкций из термопластов использовались настольные FDM 3D-принтеры Ultimaker, Ultimaker 2+ и Stratasys uPrint, тогда как печать непосредственно искусственных мышц осуществлялась на самодельном двухэкструдерном 3D-принтере, оснащенном шприцевыми головками. С полным докладом можно ознакомиться по этой ссылке . А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру!.
Существуют яркие технологические проекты «на слуху», вроде автомобильных автопилотов или термоядерной энергетики, которые, скорее всего, очень серьезно изменят нашу жизнь. Но есть и совсем неброские на первый взгляд идеи, последствия внедрения которых могут привести к едва ли не более радикальным переменам в повседневной жизни. Самый лучший пример «мускульная ткань», появившаяся в фантастической литературе лишь тогда, когда в лабораториях уже полным ходом шли работы по созданию металлических и полимерных искусственных мышц, в том числе и для человеческих протезов.
В современной технике в основном используются два эффективных способа совершения механической работы: термодинамический и электромагнитный. Первый основан на использовании энергии сжатого газа, как в двигателях внутреннего сгорания, паровых турбинах и огнестрельном оружии. Во втором задействованы магнитные поля, создаваемые электрическими токами, так работают электромоторы и электромагниты. Однако в живой природе для получения механического движения используется совершенно иной подход управляемое изменение формы объектов. Именно так работают мышцы человека и других живых существ. При поступлении нервного импульса в них запускаются химические реакции, которые приводят к сокращению или, наоборот, к растяжению мышечных волокон.
Преимущества такого «природного» привода связаны с тем, что материал меняется как целое. Это значит, что в нем нет движущихся друг относительно друга, а следовательно, трущихся и изнашивающихся частей. Кроме того, сохраняется целостность организма (или, правильнее сказать, его геометрическая связность). Движение возникает на молекулярном, или, как модно теперь говорить, наноуровне за счет небольшого сближения или удаления друг от друга атомов вещества. Это практически избавляет мышцы от инерционности, которая так характерна для всех роботов с электродвигателями. Но, конечно, у мускульного привода есть и недостатки. Если говорить о живых мышцах это постоянный расход химических компонентов, которыми необходимо снабжать каждую клетку мышечной ткани. Такие мышцы могут служить только в качестве части сложного живого организма. Другой недостаток связан с постепенным старением материала. В живом организме клетки периодически обновляются, а вот в монолитном техническом устройстве подобное обеспечить крайне сложно. В поисках искусственных мышц ученые стремятся сохранить преимущества, свойственные движителям на основе изменения формы, и в то же время избежать их недостатков.
Память формыПервые исследования в области искусственных мышц были напрямую связаны с эффектом памяти формы, который присущ некоторым сплавам. Он был открыт в 1932 году шведским физиком Арни Оландером (Arne Olander) на примере сплава золота с кадмием, но почти 30 лет не привлекал особого внимания. В 1961 году память формы совершенно случайно обнаружили у никель-титанового сплава, изделие из которого можно произвольно деформировать, но при нагреве оно восстанавливает свою первоначальную форму. Не прошло и двух лет, как в США появился коммерческий продукт сплав, нитинол, получивший название по своему составу и месту разработки (NITINOL NiTi Naval Ordnance Laboratories).
Память формы обеспечивается за счет того, что кристаллическая решетка нитинола может находиться в двух устойчивых состояниях (фазах) мартенситном и аустенитном. При температуре выше некоторой критической весь сплав находится в аустенитной фазе с кубической кристаллической решеткой. При охлаждении сплав переходит в мартенситную фазу, в которой благодаря изменившимся геометрическим пропорциям ячеек кристаллической решетки становится пластичным. Если приложить небольшое механическое усилие, изделию из нитинола в мартенситном состоянии можно придать почти любую конфигурацию она будет сохраняться до тех пор, пока предмет не нагреют до критической температуры. В этот момент мартенситная фаза становится энергетически невыгодной, и металл переходит в аустенитную фазу, восстанавливая прежнюю форму.
Так это выглядит в простейшем случае. На практике, конечно, на деформации есть ряд ограничений. Главное они не должны превышать 78%, иначе форма уже не сможет быть полностью восстановлена. Последующие разработки позволили создать различные варианты нитиноловых сплавов. Например, есть такие, что помнят сразу две формы одна соответствует высоким температурам, другая низким. А при промежуточных температурах материал можно произвольно деформировать, но он вспомнит одну из двух своих форм при нагреве или охлаждении.
На сегодняшний день известно уже более десятка сплавов с памятью формы на базе разных элементов. Однако семейство нитиноловых сплавов остается самым распространенным. Эффект памяти формы в сплавах на основе NiTi четко выражен, причем диапазон температур можно с хорошей точностью регулировать от нескольких градусов до десятков, вводя в сплав различные примеси. Кроме того, нитинол недорог, удобен в обработке, устойчив к коррозии и обладает неплохими физико-механическими характеристиками: например, его предел прочности всего в 24 раза ниже, чем у стали.
Пожалуй, основным недостатком подобных сплавов долгое время был небольшой запас цикличности. Количество управляемых деформаций не превышало пары тысяч итераций, после чего сплав терял свои свойства.
В мгновение ока
Разрешить эту проблему смогла компания NanoMuscle. Зимой 2003 года на международной ярмарке игрушек в Нью-Йорке ею была представлена необычная кукла Baby Bright Eyes. Игрушка очень реалистично копировала мимику глаз маленького ребенка, чего практически невозможно достичь при помощи традиционно применяемых в игрушечной индустрии микроэлектродвигателей они слишком инерционны. При этом стоимость куклы (при серийном производстве) оценивалась всего в 50 долларов, что выглядело совсем уж фантастично.
При создании прототипа куклы инженерам компании NanoMuscle удалось преодолеть ограничения цикличности, используя наночастицы из титана и никеля, а также разработав программное обеспечение, управляющее сплавом в более щадящем режиме, поэтому жизненный цикл таких наномускулов превышает пять миллионов итераций. Наночастицы соединялись в тонкие волокна диаметром около 50 микрон, а из них сплетался провод длиной несколько сантиметров, который мог менять длину на 1213% (еще один рекорд).
Вызывает уважение и сила устройства, получившего название NanoMuscle Actuator. При равной массе наномускул развивает мощность в тысячу раз больше, чем человеческие мышцы, и в 4 000 раз больше, чем электродвигатель, и при этом скорость его срабатывания составляет всего 0,1 секунды. Но что особенно важно, благодаря составной конструкции NanoMuscle Actuator не переходит скачком из одного состояния в другое, а может двигаться плавно с заданной скоростью.
Наномускул, используемый для приведения в движение глаз куклы, управлялся 8-битным микропроцессором и имел напряжение питания 1,8 вольта. Его расчетная цена при промышленном производстве не превышает 50 центов. Позднее было представлено целое семейство игрушек такого рода с большим числом движущихся элементов. А вскоре венчурная компания NanoMuscle была поглощена быстро растущей китайской корпорацией Johnson Electric, которая специализируется на выпуске электрических приводов для самой разной техники от DVD-проигрывателей до автомобильных зеркал.
Примерно в это же время в Техасском университете нанотехнолог Рэй Бахман (Ray Baughman) придумал, как заставить работать металлические мышцы вовсе без электричества напрямую от химического топлива, что может пригодиться в системах с высокими требованиями к автономности. Трос из сплава с памятью формы он покрыл платиновым катализатором и стал обдувать смесью паров метанола, водорода и кислорода. В газовой среде из-за низкой концентрации реакция практически не идет, а вот на покрытой катализатором поверхности выделялось довольно много тепла. Повышение температуры заставляло трос изменять длину, после чего поступление метанола прекращалось, и через некоторое время трос остывал и возвращался к исходной длине. Может показаться, что это не слишком удачная идея, но ведь вовсе не обязательно, чтобы задействованные металлические мышцы непосредственно приводили в движение конечности или колеса робота. Если таких мышц много и они работают попеременно, то привод оказывается вполне стабильным, а по совместительству он еще будет служить топливным элементом, вырабатывающим энергию для бортовой электроники.
Электроактивные полимеры
Но металлы с памятью формы не единственное направление в создании искусственных мышц. Доктор Йозеф Бар-Коэн (Yoseph Bar-Cohen) из Лаборатории реактивного движения NASA занимается созданием альтернативной технологии электроактивных полимеров (electroactive polymer EAP) и уже получил на этом поприще 18 патентов и две медали NASA. К началу 2001 года его лаборатория могла похвастаться двумя типами искусственных мускулов.
Один из них это полимерные ленты из углерода, кислорода и фтора. При подаче электрического тока распределение зарядов на поверхности такой ленты меняется, и она изгибается. Лаборатория доктора Бар-Коэна уже демонстрировала журналистам простой манипулятор из четырех лент, который позволяет обхватить небольшой предмет и поднять его с земли (в будущем предполагается с поверхности другой планеты). Очевидно, что сложность и разнообразие возможных движений такого захвата зависят лишь от конфигурации полимерных лент. На видеозаписи движение подобных полимерных мышц выглядит совершенно необычно: зажатые в тиски ленты вдруг начинают гнуться вверх и вниз сначала медленно, как лепестки цветка, но потом все быстрее, все чаще, и вот их уже даже не видно как крыльев комара в полете.
Устройства второго типа отличаются геометрией: пластины EAP свернуты в трубочки наподобие листьев табака в сигаре. При подаче напряжения трубочки сжимаются и сдавливают эластичную сердцевину, заставляя ее вытягиваться. В NASA надеются, что такие устройства могут быть использованы в новом поколении планетоходов. Например, в одном из проектов предлагается вместо отправки одного-двух тяжелых колесных аппаратов разбросать вокруг точки посадки сотни шариков с датчиками, адаптерами беспроводной сети и приводами на основе искусственных мышц второго типа, которые позволят шарикам перепрыгивать с места на место. Это даст возможность быстро и недорого обследовать сразу целую территорию. Кстати, современные модели EAP уже обеспечивают время срабатывания меньше 0,1 секунды, двукратное удлинение толкателя и силу, в 1 000 раз превосходящую его земной вес вполне достаточно для прыжков по далеким планетам.
Поединок с роботомДва года назад Бар-Коэн и несколько руководителей конкурирующих лабораторий решились на небольшое шоу для популяризации своих разработок турнир по армрестлингу с искусственной рукой. В пресс-релизе событие предварялось такой решительной фразой: «Если автоматизированная рука победит, то она откроет двери для многих новых технологий в медицине, военном деле и даже индустрии развлечений».
Выбор соперника, а точнее соперницы, устроители турнира предоставили телевизионщикам, и те предпочли старшеклассницу Панну Фелсен (Panna Felsen), которая основала в своей школе в Сан-Диего клуб робототехники. Ей предстояло побороться с тремя искусственными руками по правилам, приближенным к классическим. За их соблюдением следили двое профессиональных борцов-армрестлеров. Шоу удалось на славу, однако оно немного остудило некоторые горячие головы: ни одна рука не выстояла против безусловно красивой, но хрупкой девушки.
Первым ее соперником стал манипулятор от американской компании Environmental Robots Incorporated с двумя искусственными мускулами. Поединок с роботом продлился 24 секунды. Второй и третий соперники выдержали всего 4 и 3 секунды соответственно. Турнир выявил кроме чисто силовых проблем, которые всегда можно решить наращиванием числа полимерных пластин, и другие серьезные недостатки аппаратов. Например, третья рука, созданная в Политехническом институте штата Виргиния, использовала для активации полимера не электрические импульсы, а химические процессы. По мнению ее разработчиков, такое решение намного более естественно для будущей реализации искусственных мышц. Однако в ходе шоу в полной мере проявилась медлительность химического механизма активации: искусственная мышца начала работать лишь спустя несколько секунд после начала поединка, так что манипулятор потерпел поражение еще до того момента, как вышел на рабочий режим.
Детство чемпиона
Один из серьезных конкурентов группы Бар-Коэна компания Artificial Muscle, чрезвычайно серьезным образом понимающая свою миссию: «Вывести на рынок твердотельные приводы, которые сделают с моторами и насосами то же, что полупроводники сделали с электронными лампами». В качестве «твердотельных» приводов в Artificial Muscle занимаются все теми же электроактивными полимерами, но, чтобы отличаться от конкурентов, используют другую аббревиатуру EPAM (Electroactive Polymer Artificial Muscle). По мнению разработчиков, искусственные мышцы в будущем превзойдут все остальные механические приводы электромагнитные, пневматические, гидравлические и пьезоэлектрические по всем параметрам: стоимости, шуму, скорости, весу и удельной мощности.
Но то в будущем, а пока однослойная полимерная искусственная мышца EPAM способна развивать усилие всего 0,5 ньютона (вес 50-граммовой гири). Правда, складывая десятки таких слоев, можно получить довольно значительный эффект. Такие устройства уже сейчас предлагаются, например, производителям фотоаппаратов в качестве приводов для механизма автофокусировки.
Искусственные мышцы быстро развиваются, однако многие результаты уже скрыты за завесой коммерческой тайны, поэтому трудно говорить о том, какие показатели являются на сегодня рекордными. Но, например, способность выдерживать до 17 тысяч циклов сжатия-растяжения в секунду, заявленная Artificial Muscle, имеет высокие шансы оказаться рекордом быстродействия в мире искусственных мышц. Так же как и возможность полимерного материала изменять свою длину в 3,8 раза, достигнутая в лаборатории компании. Конечно, долго такое «издевательство» над веществом продолжаться не может, и если требуется, чтобы полимерная мышца надежно срабатывала миллионы раз, она не должна менять свою длину более чем на 15%. По крайней мере, при современном уровне развития этой отрасли.
Электромускульная броня
Но благородные научные интересы специалистов вроде доктора Йозефа Бар-Коэна не идут ни в какое сравнение с объемами финансирования и техническими возможностями лабораторий, которые не гнушаются работой на военных, вроде BAE Systems. Эта компания выполняет военные заказы практически для всех технически развитых государств мира, и поэтому информация о ее разработках появляется достаточно часто, несмотря на режим секретности.
На этот раз утечка произошла через небольшую британскую компанию H. P. White Laboratory, которая занимается в основном испытаниями на прочность защитных систем: брони, пуленепробиваемых стекол, бронежилетов. По британским законам, информация о деятельности военных и медицинских компаний не может быть полностью спрятана за секретностью патентов, поэтому по их отчетам можно косвенно проследить за развитием новых разработок в военной сфере. На этот раз исследователи предложили использовать принцип EAP для создания «брони со множественными напряжениями», которая представляет собой многослойную структуру из большого числа полимерных лент с вкраплением микрочастиц прочной керамики и определенным образом ориентированных намагниченных частиц. Пуля, которая попадает в броню, вызывает начальную деформацию и приводит к резкому смещению намагниченных частиц. За счет индукции возникает короткий электрический импульс, заставляющий полимерные ленты сжиматься, резко повышая прочность брони, поскольку частицы вкрапленной бронекерамики имеют определенный силуэт, который позволяет им при сжатии сцепляться в сплошное покрытие.
Самое главное достоинство этой системы заключается в том, что максимальная «плотность» брони образуется как раз в точке попадания пули, постепенно уменьшаясь по сторонам. В результате кинетическая энергия пули равномерно распределяется почти по всей площади бронежилета. Броня получилась хоть и объемнее, но намного легче современных аналогов. Если раньше очередь в бронежилет из автоматической винтовки не убивала человека, но гарантированно выводила его из строя минимум на десятки минут, то, по предварительным расчетам, новая защитная система не оставит даже гематом на теле солдата.
К настоящему времени искусственные мускулы используются в основном в специфических областях, традиционно имеющих мощную государственную поддержку. Гражданские и даже медицинские исследования заметно отстают от военных. Разработчики искусственных мышц тщательно охраняют секреты их производства. Например, Artificial Muscle даже никому не продает свои полимерные ленты только готовые приводы на их основе. В какой-то момент положение оказалось столь вопиющим, что группа Бар-Коэна просто взяла и опубликовала на своем сайте несколько нехитрых рецептов изготовления электроактивных полимеров, чтобы к работе могло подключиться больше независимых исследователей. Первые общедоступные устройства, использующие основные возможности искусственных мышц, появятся уже в ближайшее десятилетие, и они имеют все шансы стать той революционной новацией, которая откроет дорогу к созданию недорогих многофункциональных самодвижущихся бытовых роботов. Да и не только роботов. По признанию доктора Бар-Коэна, разработка этой технологии очень напоминает изобретательский бум конца XIX начала XX века: материалы легкодоступны, опыты и исследования может поставить любой студент со светлой головой, а денежные затраты минимальны.
Так что осталось запастись терпением и через десяток лет хорошенько перетряхнуть содержимое книжной полки с научной фантастикой, чтобы избавиться от безнадежно устаревших в техническом плане книг.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Еще не прошло и десяти лет со времени открытия экзотических структур - углеродных нанотрубок, но они продолжают удивлять исследователей. Углеродные нанотрубки - тончайшие листочки хорошо известного графита, свернутые в трубку диаметром от 0,7 до 1,5-2,0 нм и длиной до нескольких микрон (см. "Наука и жизнь" № 11, 1993 г.).
Высокая прочность углерод-углеродной связи, малые размеры, сетчатое строение оболочек нанотрубок (они состоят из связанных шестиугольников) и отсутствие дефектов обеспечивают их необычные механические свойства: они в 10-12 раз прочнее и в 6 раз легче стали. Нить диаметром 1 мм из таких нанотрубок могла бы выдержать 20-тонный груз, в сотни миллиардов раз больший ее собственного веса. А диаметр одиночной нанотрубки столь мал (в 50 тысяч раз меньше диаметра человеческого волоса), что нанокабель от Земли до Луны можно было бы намотать на катушку размером с маковое зернышко.
Все это вызывает немалый энтузиазм материаловедов, которые недавно вспомнили, например, даже о фантастической идее американского писателя Артура Кларка связать подъемником с Землей космический корабль на геостационарной орбите.
Необычные электронные свойства углеродных нанотрубок вот-вот найдут применение в первых дисплеях с полевыми эмиттерами и в туннельных микроскопах, они вызвали большую серию работ в попытках создать молекулярный транзистор, размер которого был бы на несколько порядков меньше самых миниатюрных из ныне существующих электронных приборов.
Еще одну область их использования наметило сообщение, ставшее научной сенсацией.
В феврале - марте 1999 г. в городке Кирхберг, что в Тироле (Австрия), состоялась 13-я Международная зимняя школа по электронным свойствам новых материалов. Среди довольно большого числа докладов по нанотрубкам общее внимание привлек доклад международной исследовательс кой группы сотрудников во главе с Рэем Баухманом (Ray Baughman), сотрудником компании "Эллайд Сигнел" (Allied Signal). Доклад был посвящен созданию искусственных мускулов и позднее изложен в статье, опубликованной в журнале "Сайенс" (Science, 1999. v. 284, N. 5418, p. 1340-1344, May 21).
Создать искусственные мускулы пытаются давно, и для решения этой задачи просматривались несколько путей. Можно, например, использовать пьезоэффект: изменение размеров кристалла или керамики при наложении электрического напряжения. Можно "играть" на способности слоистых веществ расширяться в направлении, перпендикулярном плоскости слоев, при внедрении между слоями химикатов. Но эти пути либо сложны, либо малоэффективны.
В группе Баухмана использовали иной принцип. Углеродные нанотрубки можно получать в виде листочков нанобумаги, в которых трубки перепутаны, переплетены друг с другом. Такую нанобумагу можно брать в руки, разрезать на полосы. Первые эксперименты были на удивление просты.
Исследователи приклеили две полоски нанобумаги к противоположным сторонам липкой ленты, присоединили к концам электроды и опустили в солевой раствор, обеспечивающий электропроводность. При включении электрической батареи, дающей напряжение в несколько вольт, обе полоски нанобумаги слегка удлинились, но связанная с отрицательным полюсом батареи удлинилась больше, и они изогнулись. Искусственный мускул (актюатор) действовал.
Конечно, такое устройство слишком примитивно, чтобы уже сегодня использовать его вместо бицепсов и трицепсов. Но уже ясно, что эта конструкция гораздо более перспективна, чем любая другая. Вместо солевого раствора предполагается применять проводящий полимер, создав легкий и прочный композитный материал.
Уже показано, что искусственные мускулы будут по меньшей мере втрое "сильнее" обычных, то есть смогут выдерживать гораздо большие нагрузки при тех же размерах. В отличие от металлов углеродные нанотрубки не разрушаются от усталости, могут работать при довольно высоких температурах. А используемые для их работы напряжение и сила тока невелики.
Искусственные мускулы со временем можно будет использовать для протезирования органов и отдельных мышц (скажем, сердечной). На их основе легко удастся сконструировать "руки" и "пальцы" роботов, работающих в космическом холоде или в 1000-градусную жару, в вакууме и в среде агрессивных газов.
Углеродные мускулы можно использовать и для производства энергии, поскольку, по словам Баухмана, эффект обратим: сгибание и разгибание полосок создают электрический потенциал. Соединенные в цепь элементы могут использовать энергию волн, приливов и отливов в электростанциях нового типа. Каждый автомобиль можно будет со временем снабдить легким устройством, которое при торможении станет подзаряжать аккумуляторы.
Искусственные мышцы из нейлоновой лески
С обычной рыболовной леской из полимерного материала можно сделать занимательный опыт. Если вытянуть леску в длину и, зажав один конец, долго закручивать другой вокруг своей оси, то на леске образуются плотные кольца и она приобретает вид спиральной пружины. При нагревании эта пружина сокращается, а при охлаждении – удлиняется. Сборная команда новосибирских школьников исследовала свойства такой «искусственной мышцы» на Международном турнире юных физиков IYPT-2015. Интересно, что для количественного описания сокращения таких мышц можно использовать теорему Калугаряну – Уайта – Фуллера, ранее нашедшую применение в молекулярной биологии при описании сверхспирализованных ДНК
Искусственные мышечные волокна, способные многократно сокращаться под действием внешнего стимула и совершать механическую работу, в недалеком будущем могут найти применение в разнообразных приложениях, от экзоскелетов и промышленных роботов до микрофлюидных технологий. Разработки и исследования искусственных мышц ведутся по разным направлениям – металлы с памятью формы, электроактивные полимеры, жгуты из углеродных нанотрубок. Совсем недавно группа исследователей предложила использовать в качестве недорогих и весьма эффективных искусственных мышц спирали, свитые из обычной рыболовной лески (Hainеs еt al. , 2014). Такая искусственная мышца заметно сокращается при нагревании и вновь удлиняется при охлаждении. Изготовить спиральную мышцу из нейлоновой лески и исследовать ее свойства было предложено участникам Международного турнира юных физиков IYPT-2015 в задаче «Искусственная мышца».
Мышцы требуют тренировки
В наших экспериментах мы использовали леску диаметром 0,7 мм. Чтобы свернуть ее в спираль, мы закрепили электродрель в вертикальном положении, зажали один конец лески в патроне, а к другому концу прикрепили груз весом 3 Н – при таком весе леска не порвется, а свернется в однородную спираль. В процессе закрутки груз должен подниматься вверх, не проворачиваясь вокруг вертикальной оси, для чего на него устанавливается фиксатор.
Когда продольные волокна на поверхности лески завиваются примерно на 45° по отношению к продольной оси, леска начинает скручиваться в плотную спираль. Исходный отрезок лески длиной 1 м при скручивании превращается в 17 см такой спирали. При этом нейлон претерпевает столь сильную пластическую деформацию, что после снятия вращающего усилия спираль почти не раскручивается обратно. В принципе это новое состояние волокон можно закрепить, медленно нагрев леску до температуры, близкой к температуре плавления, а затем охладив ее.
Во избежание раскручивания спирали при последующих испытаниях мы составляли искусственную мышцу из двух спиралей с правой и левой завивкой, скрепляя их параллельно. Снизу к вертикально подвешенной мышце крепился поднимаемый груз. Для сокращения мышцы на ее верхний конец по трубке подавалась горячая вода, которая свободно стекала по спиралям вниз. Температура мышцы измерялась закрепленным на ней термодатчиком, удлинение – ультразвуковым датчиком перемещения.
Работа, совершаемая двигателем по перемещению груза против постоянной действующей силы, равна произведению величины силы и перемещения. Например, при перемещении свободно подвешенного груза весом 10 Н вверх (т.е. в направлении, противоположном вектору силы тяжести) на 0,03 м подъемник совершает работу 10 Н × 0,03 м = 0,3 Дж.Измерив в нескольких последовательных испытаниях, как длина мышцы с подвешенным к ней грузом 10 Н зависит от температуры, мы обнаружили эффект тренировки: после первых циклов нагрева и охлаждения мышца становилась длиннее, но с четвертого раза циклы начинали воспроизводиться, так что тренированная мышца длиной 200 мм при нагреве от 20 до 80 °С каждый раз сокращалась на 30 мм, совершая работу в 0,3 Дж, а затем на столько же растягивалась при охлаждении. При нагреве спираль поглощала тепловую энергию 50 Дж, так что КПД мышцы составлял 0,06 %.
Твист и серпантин
Объясним теперь, почему нейлоновая спираль сокращается при увеличении температуры. Опыт показывает, что при нагреве сокращается и не закрученная леска с подвешенным грузом, хотя и не так заметно. Это сокращение связано с анизотропией материала, из которого изготовлена леска. Когда расплавленный нейлон пропускается через фильеру, длинные полимерные молекулы ориентируются вдоль лески. Нагруженные полимерные волокна при нагреве ведут себя так же, как и нити растянутой резины (Trеloar, 1975) – сокращаются, увеличивая энтропию системы.
Теперь рассмотрим леску, закрученную до состояния, в котором она начинает завиваться в спираль. Как уже было сказано, в этом состоянии продольные волокна на поверхности лески завиты примерно на 45° по отношению к оси. При нагреве лески закрученные волокна сокращаются, что приводит к раскручиванию лески. Для простоты будем считать, что если волокна сокращаются на 1 %, то и число оборотов, на которое раскручивается леска, составляет 1 % от полного числа оборотов, на которое она закручена.
Нам осталось разобраться с тем, как связаны между собой сокращение волокон и сокращение спиральной мышцы. Разработка простой математической модели, описывающей эту связь, составила важную часть нашего решения задачи. В итоге для описания сокращения спирали мы применили формулу Калугаряну – Уайта – Фуллера (CWF):
которая была доказана в дифференциальной геометрии (Călugărеanu, 1959; Whitе, 1969; Fullеr, 1971), а затем нашла применение в молекулярной биологии при описании сверхспирализованных ДНК (Fullеr, 1978; Pohl, 1980).
Число зацепления Lk (англ. – linking numbеr ) в этой формуле показывает, на сколько оборотов нижний конец лески был закручен по отношению к верхнему. Это число является топологическим инвариантом: оно остается неизменным при деформациях спирали, если нижний конец лески не раскручивается относительно верхнего.
Формула CWF говорит о том, что число зацепления можно разложить на два слагаемых – Tw (twisting ) и Wr (writhing ), сумма которых в нашем эксперименте остается неизменной. Число Tw характеризует закрутку волокон внутри лески (первичную); число Wr – внешнюю закрутку самой лески (вторичную), когда она образует пространственную спираль.
Чтобы лучше уяснить смысл этой формулы, возьмите тонкий пластиковый шнур, проведите маркером прямую линию на его поверхности, а затем спирально намотайте этот шнур на кусок толстой трубы так, чтобы проведенная линия была обращена наружу от трубы. Допустим, что шнур обернут вокруг трубы на 5 оборотов. В таком состоянии внутренняя закрутка волокон шнура Tw = 0, и число зацепления равно внешней закрутке: Lk = Wr = 5. Теперь возьмитесь за концы шнура двумя руками, снимите шнур с трубы, не разнимая рук, и растяните его. Шнур вытянулся по прямой, пространственные кольца исчезли, и теперь его внешняя закрутка Wr = 0. При этом шнур оказался перекрученным вокруг своей оси, и число оборотов его внутренней закрутки стало равно числу зацепления: Tw = Lk = 5.
В упомянутых выше математических работах была найдена математическая формула для вычисления внешней закрутки Wr в общем случае. Для равномерной спиральной закрутки эта формула сильно упрощается (Fullеr, 1978), приобретая вид
Wr = N ∙(1 – sin α),
где N – это число витков внешней спирали, α – угол подъема винтовой линии спирали.
Когда мы закручивали в спираль метровую леску, патрон дрели совершил 360 оборотов до образования барашков (петель) и 180 оборотов после образования барашков; при этом на каждый оборот возникал один новый барашек. Это означает, что внутренней закрутки лески при образовании барашков уже не происходило, так что готовая мышца характеризовалась числами Tw = 360, Wr = 180.
Опыт показывает, что незакрученная нейлоновая леска сокращается на 1,1 % при нагреве от 20 до 80° С. Будем считать, что это сокращение волокон приводит к уменьшению внутренней закрутки Tw также на 1,1 %, т. е. на 4 оборота. Тем самым внешняя закрутка Wr увеличивается на 4 оборота, т. е. на 2,2 %. Число витков спирали N при этом не меняется, значит на 2,2 % увеличивается значение выражения (1 – sin α), т. е. уменьшается величина угла α, за счет чего спираль и становится короче. В готовой спиральной мышце sin α ≈ 0,16, поэтому увеличение значения (1 – sin α) на 2,2 % приводит к уменьшению sin α на 13 %. Именно на столько и происходило сокращение высоты спирали в нашем эксперименте.
Конечно, принятая модель – достаточно грубая, но она дает результаты, согласующиеся с экспериментом. Ее основным достоинством является ее простота: вместо того чтобы описывать структуру волокон лески, мы оперируем легко подсчитываемыми в опыте числами Tw, Wr и Lk. Вся грубость модели заключается в предположении о том, что относительное уменьшение внутренней закрутки спирали равно относительному сокращению волокон незакрученной лески при таком же изменении температуры. Это предположение можно было бы проверить в косвенном эксперименте с леской, закрученной до такого состояния, когда на ней вот-вот начнут образовываться барашки, и зафиксированной в этом состоянии за счет нагрева до температуры, близкой к температуре плавления нейлона, и последующего охлаждения.
Литература
Călugărеanu G. L’ intégral dе Gauss еt l’analysе dеs noеuds tridimеnsionnеls // Rеv. Math. Purеs Appl. 1959. V. 4. P. 5–20.
Chеrubini A., Morеtti G, Vеrtеchy R., Fontana M. Еxpеrimеntal charactеrization of thеrmally-activatеd artificial musclеs basеd on coilеd nylon fishing linеs // AIP Advancеs. 2015. V. 5. Doc. 067158.
Hainеs C. S., Lima M. D., Na Li еt al. Artificial musclеs from fishing linе and sеwing thrеad // Sciеncе. 2014. V. 343. P. 868–872.
Fullеr F. B. Thе writhing numbеr of a spacе curvе // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1971. V. 68. P. 815–819.
Fullеr F. B. Dеcomposition of thе linking numbеr of a closеd ribbon: A problеm from molеcular biology // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1978. V. 75. P. 3557–3561.
Pohl W. F. DNA and diffеrеntial gеomеtry // Math. Intеlligеncеr. 1980. V. 3. P. 20–27.
Trеloar L. R. G. Thе physics of rubbеr еlasticity. Oxford univеrsity prеss, 1975.
Whitе J. H. Sеlf-linking and thе Gauss intеgral in highеr dimеnsions // Am. J. Math. 1969. V. 91. P. 693–728.
