Искусственная мышца из одного волокна, вдохновлённая человеческими мускулами

Для точного воспроизведения движений людей и животных роботам необходимы структуры, подобные мышцам. Эти искусственные мышцы должны демонстрировать оптимальную производительность по всем ключевым параметрам: плотности энергии, деформации, напряжению и механической прочности.

Исследователи из KAIST и Университета Пусан (Южная Корея) разработали актуатор для робототехники, вдохновлённый строением скелетных мышц млекопитающих. Этот актуатор, описанный в статье в Nature Nanotechnology, основан на мягких волокнах со свойствами сильного сократительного привода.

Основой разработки являются жидкокристаллические эластомеры (LCE) — полимеры, способные быстро менять форму в ответ на внешние стимулы. Однако чистые LCE-актуаторы обладают относительно слабыми механическими свойствами. Чтобы преодолеть это ограничение, учёные внедрили в матрицу LCE сверхпрочные наполнители из графена (~0.3 мас.%).

При облучении лазером фототермический эффект графена мгновенно повышает температуру окружающей LCE-матрицы. Это заставляет молекулы LCE переходить из жидкокристаллического упорядоченного состояния в изотропное случайно-свернутое, что на макроуровне приводит к сокращению волокна. После прекращения облучения волокно возвращается к исходной длине.

Ключевые преимущества:

• Обратимая перколяция сети графена: При сокращении и расслаблении волокна сеть графеновых наполнителей обратимо собирается и разбирается, что значительно усиливает актуатор, особенно в сокращённом состоянии.
• Высокая производительность: Актуатор превосходит природные мышцы по нескольким параметрам одновременно: деформации, напряжению, плотности энергии и мощности.
• Управляемость: Быстрая фототермическая конверсия позволяет осуществлять обратимое, быстрое и дистанционно управляемое (светом) высокомощное срабатывание.

Исследователи продемонстрировали потенциал актуатора на примере мягких роботов, которые смогли:

• Поднять гантель массой 1 кг.
• Сгибать отдельные пальцы искусственной руки.
• Воспроизвести движение гусеницы-землемера. В «гонке» с живым червём робот показал более высокую скорость.

Перспективы и задачи: Следующей большой задачей авторы называют интеграцию такого искусственного мускула с нейронной активностью для создания по-настоящему естественных движений в мягкой робототехнике, бионических протезах или даже в адаптивной «умной» одежде.