Искусственные мышцы типа волокон превосходят биологические мышцы

Биологические мышцы действуют как гибкие приводы, генерируя силу естественным образом и с впечатляющим диапазоном движений. Неудивительно, что ученые и инженеры стремятся создать искусственные мышцы, имитирующие эти способности. Новое обзорное исследование, опубликовано в Природаглубоко погружается в последние разработки, связанные с искусственными мышцами волокнистого типа, одним из наиболее реалистичных типов искусственных мышц, разработанных до сих пор.

Уникальность искусственных мышц волокнистого типа

Разработано несколько типов искусственных мышц, в которых реализованы различные способы приведения в действие, например, пневматика, электроактивные полимеры, материалы с памятью формы, изготовленные из сплавов или полимеров. Однако многие из них имеют сложные механизмы управления, ограниченное срабатывание или слишком громоздки для использования во многих приложениях.

С другой стороны, искусственные мышцы волокнистого типа обладают высокой гибкостью, адаптируемостью и множеством степеней свободы. Имитируя дизайн и структуру естественных мышц, искусственные мышцы волокнистого типа могут выполнять несколько типов приведения в действие, включая сгибательные, крутильные, растягивающие и изометрические движения.

«Вдохновленная естественными механизмами и биологическими структурами, активация искусственных мышц волокнистого типа в первую очередь регулируется изменениями в ответе внутренних волокон на внешние раздражители, поскольку мелкие миофибриллы создают основу для активации увеличенного и большого исполнительного удара. На основе этих механизмов искусственные мышцы волокнистого типа могут иерархически генерировать различные движения, подобные биологическим мышцам», – объясняют авторы исследования.

Достижение и превосходство реалистичного движения

Активация искусственных мышц волокнистого типа обусловлена изменениями их внутренних свойств материала в ответ на внешние раздражители, такие как свет, электрические сигналы, тепло, химические вещества или воздействие растворителей. Эти системы используют механизмы, которые включают молекулярную переориентацию, объемное расширение и изменения межволоконного расстояния. Состав материала и архитектурная конструкция волокон также могут влиять на работу исполнительных механизмов.

Авторы исследования говорят, что в то время как биологические мышцы в основном полагаются на растягивающее действие, искусственные мышцы волокнистого типа часто используют крутильное действие для достижения различных режимов движения. Тем не менее, в обзоре описаны четыре распространенных метода приведения в действие, доступных для искусственных мышц волокнистого типа, которые включают в себя крутильное, растягивающее, изгибающее и изометрическое приведение в действие. В торсионном срабатывании используются предварительно скрученные волокна, которые при раскручивании создают вращательное движение.

«Мышцы, работающие на паре, особенно те, которые приводятся в действие влагой или этанолом, демонстрируют большие крутильные удары. Что касается скорости скручивания, самые высокие зарегистрированные значения составили 11 500 об / мин и 10 500 об / мин, достигнутые с помощью композита УНТ / полимер, подвергнутого тепловой обработке, и волокна из сплава NiTi, подвергнутого электротермической обработке, соответственно», – говорят авторы исследования.

Тем временем, срабатывание при растяжении– который включает линейное растяжение или сокращение вдоль волокна – достиг 8600% растяжения в спирально скрученных, закрученных в спираль мышцах на основе нити.

Изометрические модели также добились впечатляющих результатов. Авторы исследования пишут: «В различных исследованиях сообщалось об электрохимическом изометрическом срабатывании, например, волокно, полученное из мидий, продемонстрировало высокую производительность с максимальным изометрическим напряжением сокращения 17,7 МПа. Искусственная мышца на основе нейлона продемонстрировала 28,4 МПа, достигнув более чем в 100 раз изометрического напряжения срабатывания скелетных мышц млекопитающих (≈0,35 МПа)».

Наконец, активация сгибания позволяет выполнять движения, имитирующие сгибание суставов, с высокой степенью свободы. Авторы исследования говорят, что срабатывание сгибания открывает потенциал для биомиметических и робототехнических приложений. Пример включает в себя искусственная мышца с программируемой формой управляемый лазером, способный к многократному и разнонаправленному изгибу путем регулировки направления и положения лазерного излучения.

Приложения и будущие направления

Существует почти бесконечное количество потенциальных применений оптимизированных искусственных мышц типа волокон. Биомедицинские применения включают устройства для закрытия ран, кровоостанавливающие повязки, вспомогательные костюмы для реабилитации и микрохирургические инструменты. Мягкие роботы для передвижения, ползания, плавания и биомиметических задач могут использоваться во многих областях. Можно разработать умный текстиль, который адаптируется к температуре и другим изменениям окружающей среды, позволяя людям более безопасно входить в негостеприимную среду.

Однако предстоит еще многое сделать. Текущие версии искусственных мышц волокнистого типа по-прежнему ограничены сложностью производства и стоимостью материалов, а также долговечностью и интеграцией с другими системами. Исследователи работают над способами интеграции самоисцелениеВ одних конструкциях используются функции считывания, считывания и сбора энергии, в то время как другие ищут способы реализации масштабируемого, устойчивого производства за счет использования таких материалов, как хлопок или волокна лотоса.

Авторы исследования пишут: «Заглядывая в будущее, будущее искусственных мышц волокнистого типа заключается в использовании новых материалов и методов приведения в действие, чтобы преодолеть разрыв между биологическими и синтетическими системами движения. Ожидается, что благодаря продолжающемуся технологическому прогрессу искусственные мышцы следующего поколения достигнут беспрецедентного уровня эффективности, отзывчивости и универсальности, открывая путь к расширенным возможностям роботов и человеческим улучшениям».

© 2025 Сеть Science X