Sztuczne mięśnie opracowane do podnoszenia przedmiotów 4400 razy cięższych niż ich własna waga

Phát triển cơ nhân tạo nâng vật nặng gấp 4.400 lần trọng lượng - 1 — Nowe badania: Roboty humanoidalne potrafią podnosić przedmioty 4000 razy cięższe niż wynosi ich masa ciała (Ilustracja: livescience).

Po raz pierwszy naukowcom udało się z powodzeniem rozwiązać trudny problem równowagi między elastycznością a siłą w projektowaniu sztucznych mięśni. Przełomowe wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie „Advanced Functional Materials” 7 września.

Profesor Hoon Eui Jeong, ekspert w dziedzinie inżynierii mechanicznej z Narodowego Instytutu Nauki i Technologii w Ulsan (UNIST) i główny autor badania, podkreślił: „Te badania przezwyciężyły fundamentalne ograniczenia konwencjonalnych sztucznych mięśni, które mogą być jedynie wysoce rozciągliwe, ale słabe, albo silne, ale sztywne. Nasz materiał kompozytowy może spełniać oba te warunki, otwierając drogę do bardziej elastycznych, miękkich robotów, urządzeń noszonych i intuicyjnych interfejsów człowiek-maszyna”.

Sztuczne mięśnie często są ograniczone elastycznością lub sztywnością. Muszą być rozciągliwe, a jednocześnie zapewniać wystarczającą moc wyjściową, w przeciwnym razie ich gęstość aktywności będzie ograniczona. Jednak miękkie sztuczne mięśnie są cenione za swoją zmienność ze względu na niewielką wagę, mechaniczną adaptowalność i zdolność do przekazywania wielokierunkowych (ruchowych) siłowników.

Gęstość pracy, czyli ilość energii na jednostkę objętości, jaką mięsień może dostarczyć, stanowi poważne wyzwanie dla sztucznych mięśni. Osiągnięcie wysokich wartości w połączeniu z wysoką kurczliwością to cel, do którego nieustannie dążą naukowcy.

Nowy sztuczny mięsień jest opisywany jako „wysokowydajny magnetyczny siłownik kompozytowy” – złożona kombinacja chemiczna polimerów połączonych ze sobą w celu naśladowania sił naciągania i rozluźniania mięśni. Jeden z tych polimerów może różnić się sztywnością i jest osadzony w matrycy zawierającej na swojej powierzchni mikrocząsteczki magnetyczne, które również można kontrolować. Pozwala to na aktywację i kontrolę mięśnia, wywołując ruch.

Nowa konstrukcja wykorzystuje dwa odrębne mechanizmy sieciowania: kowalencyjną sieć chemiczną (dwa lub więcej atomów dzieli się elektronami, aby uzyskać bardziej stabilną konfigurację) oraz odwracalną sieć oddziaływań fizycznych. Te dwa mechanizmy zapewniają mięśniom siłę potrzebną do długotrwałej pracy.

Równowaga między sztywnością a elastycznością jest skutecznie osiągnięta dzięki architekturze podwójnie usieciowanej. Sieć fizyczna jest dodatkowo wzmocniona poprzez wbudowanie mikrocząstek (NdFeB) na powierzchnię mechaniczną, które można dodatkowo funkcjonalizować za pomocą bezbarwnej cieczy (oktadecylotrichlorosilanu). Cząsteczki te są rozproszone w matrycy polimerowej.

Syntetyczny mięsień sztywnieje pod dużym obciążeniem i mięknie, gdy musi się kurczyć. W stanie sztywnym sztuczny mięsień, ważący zaledwie 1,13 grama, może wytrzymać ciężar do 5 kilogramów, czyli około 4400 razy większy od swojej własnej masy.

Naukowcy twierdzą, że ludzkie mięśnie kurczą się przy napięciu około 40%, ale syntetyczny mięsień osiągnął napięcie 86,4% – dwa razy wyższe niż mięsień ludzki. Pozwoliło to na uzyskanie gęstości pracy 1150 kilodżuli na metr sześcienny – 30 razy wyższej niż ta, którą jest w stanie wytworzyć tkanka ludzka.

Zespół przeprowadził jednoosiowe testy rozciągania w celu zmierzenia wytrzymałości sztucznego mięśnia, przykładając siłę ciągnącą do obiektu aż do jego pęknięcia, aby znaleźć maksymalną wytrzymałość na rozciąganie.

Eksperci twierdzą, że to przełomowe odkrycie otwiera perspektywy dla wielu dziedzin, od robotyki miękkiej i rehabilitacji medycznej po inteligentne urządzenia noszone na ciele i interfejsy człowiek-maszyna.

Dzięki temu, że są jednocześnie elastyczne i silne, nowa generacja sztucznych mięśni może pomóc robotom poruszać się bardziej płynnie, a jednocześnie precyzyjnie wspierać ruchy człowieka w zaawansowanych zastosowaniach biomedycznych i przemysłowych.

Komentarz (0)