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.
Еще в прошлом десятилетии благодаря экспериментам с различными материалами и формами некогда жесткие, дергающиеся, машины начали сгибаться, наклоняться, прыгать , действуя более естественно, подражая живым организмам. Однако возросшие гибкость и ловкость снижали силу механизма. Мягкие материалы не везде применимы поскольку, обычно, не настолько крепки и эластичны по сравнению с прочными твердыми комплектующими.
Сегодня исследователи из Института Висса в Гарвардском университете и Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского университета по принципу оригами создали искусственные мышцы, которые придают силы мягким роботам. Только при помощи давления воздуха или воды аппарату удается передвигать объекты в тысячу раз превышающие его собственный вес.
«Мы очень удивились силе этих приводов («мышц»). Конечно, ожидалось, что они смогут подымать больший максимальный вес, чем обычные гибкие роботы, но не в тысячу раз больший. Это похоже на наделение роботов суперспособностями», - рассказывают доктор Даниэла Рус, профессор Массачусетского университета и один из главных авторов исследования.
«Искусственные мышцы находятся в числе крупнейших вызовов современной инженерной мысли», - добавляет доктор Роб Вуд, еще один автор исследования и представитель Института Висса. «Создав приводные механизмы близкие по свойствам к живым мышцам, мы можем представить строительство почти любого робота различного предназначения».
Каждая искусственная мышца состоит из внутреннего «скелета», который может быть изготовлен из разных материалов: металлической пружины или пластиковой пластины сложенной определенным образом. Расположенные внутри закрытой пластиковой или тканевой емкости они будут окружены воздухом или жидкостью. Созданный внутри вакуум способен заставлять внешнюю оболочку прижиматься к «скелету», образуя давление, которое приводит в движение весь механизм. Направление движений задается формой и структурой скелета.
«Одним из ключевых моментов этих мышц является их способность к запрограммированным действиям в зависимости от того, как выстроен «скелет», - говорит доктор Шугуанг Ли. Такой подход позволяет мышцам быть очень простыми и компактными. Они подходят для монтажа на мобильной технике и теле человека , там, где использование массивного оборудования неприемлемо.
Конструктивные особенности таких мышц позволяют делать их практически любого размера. Их можно использовать как элементы хирургического оборудования и как части трансформируемой архитектуры, глубоководные манипуляторы и большие саморазвертывающиеся объекты в космосе. Также такие устройства приводятся в движение вакуумом, за счет чего они более безопасны, чем существующие сегодня гибкие роботы.
Команда разработчиков может даже выстроить мускулы из водорастворимых полимеров. Это открывает возможности для использования роботов в естественной среде с наименьшим вмешательством. Например, робот может отправиться к определенному органу человека, а затем раствориться , доставив лекарство на место.
В планах исследователей не просто сделать работу механизмов максимально натуральной, но и превзойти природные возможности.
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».
Большие мускулы - результат долгих лет усердных тренировок и литров пролитого пота. Но есть люди, которые считают, что могут добиться того же внешнего вида, что профессиональные атлеты, но гораздо быстрее и проще. Это действительно возможно, вопрос только в том, какой ценой?
Силиконовые мышцы
Первый способ обзавестись огромными мышцами без посещения тренажерного зала - лечь под нож хирурга. Современная хирургия дошла до того, что увеличивать можно уже не только грудь и губы, но и любую другую часть тела. И теперь не только женщины, но и мужчины активно вставляют себе силиконовые импланты, чтобы выглядеть привлекательнее.
Есть два способа вживления импланта - над мышцей и под мышцу. Первый вариант более простой, дешевый и не такой травмоопасный, но проблема в том, что такая мышца будет выглядеть неестественно и будет мягкой на ощупь. Во втором случае существующие мышцы буквально вскрываются и имплант засовывают под них, после чего мышечные ткани сшивают обратно. Такая операция очень сложная и опасная, а восстановление после нее займет долгие месяцы, зато результат будет качественнее - наличие импланта не будет заметно и мышца сохранит присущую ей твердость.
Вживление импланта - огромный риск, ведь тело может просто не принять его или ответить серьезной аллергической реакцией. Еще хуже могут быть последствия в результате повреждения импланта - можно вообще лишиться той части тела, куда была вживлена искусственная мышца.
Джастин Джедлика, Силиконовый Кен
Пожалуй, самым известным примером мужской пластической хирургии является американец Джастин Джедлика, он же Силиконовый Кен. Одержимый идеей быть похожим на друга куклы Барби, он перенес около 90 пластических операций общей стоимостью более 100 тысяч долларов. Больше всего изменений, конечно, претерпело лицо парня, однако и над рельефным телом постарались хирурги, вставив Джастину силиконовые импланты в грудь, руки, плечи и живот.
Пуш-ап
Да-да, мужской пуш-ап тоже существует. Он надевается под майку, застегивается на спине и имитирует рельефную грудь и пресс. Изобрели нехитрый заменитель мускулатуры в Японии, и в Азии он быстро приобрел популярность.
Синтол
Если к пластической хирургии мужчины пока обращаются редко, то еще более опасные химические способы искусственного увеличения мускулатуры применяются, к сожалению, гораздо чаще. Самый известный препарат - синтол, изобретенный в 1990-х годах и быстро ставший скандально известным. Синтол не обладает анаболическими свойствами, он увеличивает объем мышц за счет всасывания масел в мышечные волокна. То есть на самом деле мышцы не становятся больше, они просто набухают.
Выводится из организма синтол очень долго - до 5 лет. Кроме того, у него огромное количество побочных эффектов, многие из которых крайне опасны и грозят спортсменам тяжелыми последствиями, вплоть до летального исхода. Так, попадание масла в кровь может вызвать жировую эмболию, которая в свою очередь грозит инфарктом или инсультом. Среди других возможных проблем - различные инфекции, повреждения нервов, образование цист и язв.
Интернет пестрит многочисленными примерами «жертв» синтола, а легенды бодибилдинга активно выступают против таких методов увеличения мышц. «Мое отношение к синтолу такое же, как и ко всем имплантатам. Это попытка улучшить телосложение косметическими методами, избегая тяжелой работы, делающей бодибилдинг настоящим спортом», — заявлял шестикратный «Мистер Олимпия» Дориан Ятс.
Искусственные мышцы хороши тем, что не содержат внутренних подвижных элементов. Это еще одна, довольно радикальная, альтернатива электродвигателям и пневматике с гидравликой. Существующие сегодня образцы представляют собой либо полимеры, чувствительные к напряжению или температуре, либо сплавы с памятью формы. Для первых требуется довольно высокое напряжение, вторые же имеют ограниченный диапазон движения и к тому же весьма дороги. Для создания мягких роботов используют и сжатый воздух, но это подразумевает наличие насосов и усложняет конструкцию. Чтобы сделать искусственные мышцы, мы обратились к рецепту ученых из Колумбийского университета, которым удалось соединить в одной конструкции высокую мощность, легкость, эластичность и потрясающую простоту. Мышцы представляют собой обычный мягкий силикон, в который заранее вводятся пузырьки спирта. При нагревании нихромовой спиралью спирт внутри них начинает кипеть, и силикон сильно разбухает. Однако если поместить все это в жесткую оплетку с перпендикулярным переплетением нитей, то разбухание превратится в обычное сокращение — примерно так же работают пневматические двигатели Маккиббена.
Поскольку силикон плохо проводит тепло, важно не подавать на спираль слишком большую мощность, иначе полимер начинает дымить. Это, конечно, выглядит эффектно и почти не мешает работе, но в конце концов может привести к пожару. Малая мощность тоже нехороша, так как время сокращения тогда может затянуться. В любом случае в конструкции не будут лишними ограничительный термосенсор и ШИМ-регулятор.
Методы
Силиконовые мышцы удивительно просты по конструкции, и при работе с ними реально столкнуться только с двумя проблемами: подбором мощности и созданием достаточно удобных форм для заливки.
Заливочные формы удобно делать из прозрачных пластиковых листов. Только учитывайте, что механизм крепления спирали внутри полимера следует продумывать заранее: после заливки будет поздно.
И материалы
Мягкий силикон для создания мышц можно приобрести в магазинах, где продаются товары для творчества. Оплетка нужного плетения обычно используется для организации и проводки кабелей, искать ее следует у электриков. Самые большие сложности возникают с 96-процентным этанолом, который в России купить сложнее, чем танк. Впрочем, его вполне можно заменить изопропанолом.
«Популярная Механика» выражает благодарность Магазину скелетов за помощь в проведении съемок.
