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».
Научная статья опубликована 27 ноября 2017 года в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (doi: 10.1073/pnas.1713450114, pdf).
Комментарии (46)
General_Failure
28.11.2017 15:17Какие перспективы использования в протезах?
Мне кажется, раз такие мышцы похожи по поведению на настоящие, то с ними и искусственные конечности будут можно будет делать более «живыми» (главное, чтоб эффект Зловещей долины не получился, когда реалистичной кожей будут обтягивать)
Macilnor
28.11.2017 15:29Кхм… Гармошка из пластика, полиэтиленового пакета и накачиваемая водой/воздухом для работы, о каких протезах тут вообще может идти речь? ИМХО но это простой концепт на подобии роботов осьминогов и прочего, в таком виде как сейчас это вообще практического применения не имеет. Да и называть это «искусственными мышцами» тоже как то слишком громко — обычная гидравлика/пневматика как уже писали выше, работают по принципу кузнечных мехов только наоборот. Настоящие искусственные мышцы во первых должны быть намного более миниатюрны, во вторых не требовать дополнительного движителя (как насос для накачки флюидной среды тут). По сути это должно быть некое тонкое волокно сжимающееся при подведении энергии (в идеале электрической, но можно и тепловой) и восстанавливающее свою изначальную форму при прекращении подачи энергии, например.
trapwalker
29.11.2017 09:42К мышцам «топливо» подводится кровью. А тут заголовок, по-моему, чересчур хайповый сочинили. Далеко этой гармошке по характеристикам и ограничениям до мышц.
Но в перспективе выглядит всё довольно многообещающе. Когда 3d-принтеры сменят несколько поколений и смогут печатать бОльшим набором материалов и с бОльшей точностью, не исключено что если и не репликатор, то хотя бы куски его на стандартных компонентах мы сможем сделать.
Хочу колонию репликаторов на марсе.
vconst
28.11.2017 15:29Не схожи они с настоящими, потому что работают в десятки раз медленнее.
plastilinko
28.11.2017 15:41и в одну сторону
ThunderCat
28.11.2017 18:54А вот тут как раз есть варианты, например при подаче давления внутрь пакета такая конструкция вполне может «распрямляться» с некоторым давлением, в отличие от живой мышцы, которая только сокращается.
safari2012
28.11.2017 15:47Пассажиры разошлись, а в кабине остались летчики: я, Витя, Сережа и Женька. На пульте управления перед нами указатель высоты, скорости и еще небольшой прибор с тремя циферблатами. Над одним из них написано «Кислота», над другим — «Щелочь», а над третьим — «Катализатор». Крылья нашего птицелета движутся при помощи искусственных мышц из полимерных пленок, то есть птицелет движется при помощи химии, так как в нем химическая энергия сразу превращается в механическую.
Леонид Владимирович рассказывал нам, что созданные в их лаборатории тонкие пленки из полимеров под действием щелочи и кислоты то растягиваются, то сжимаются, как искусственная мышца. Если соединить между собой много таких пленок и найти катализатор, который будет ускорять и увеличивать сжатие и растягивание, можно создать искусственные мышцы. И мышцы эти смогут делать огромную работу, они будут в тысячу раз сильнее, чем, скажем, мышцы настоящего слона.
Киселев Владимир, «Девочка и птицелёт» (с) 1973
mickvav
28.11.2017 16:08Сколько итераций сжатия-расширения оно выдерживает, интересно?
ThunderCat
28.11.2017 19:00от материала оболочки сильно зависит, но главное — предсказуемость износа весьма высокая.
sumanai
28.11.2017 16:26Эксперименты 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.
Сначала всё хорошо, но…
20 см за 30 секунд
Расходимся, слишком медленно.
Zombieff
28.11.2017 16:36$1? А разница давлений там бесплатно создаётся, не нужны насосы или хотя бы простенькие поршни?
работают в воздухе, под водой и в вакууме
Работают они за счёт роста внешнего давления относительно внутреннего. Как, интересно, в вакууме оно должно работать? Кажется, одна из черепашек слегка привирает.
Hellsy22
28.11.2017 17:00> разница давлений там бесплатно создаётся, не нужны насосы или хотя бы простенькие поршни?
Герметичная емкость с газом и нагреватель? Можно даже тепловой насос, чтобы увеличить давление во внешнем каркасе и уменьшить внутри.Zombieff
28.11.2017 17:06И на сколько надо нагревать/охлаждать всё это, чтоб «мышцу» сократить/расслабить?
Выглядит как-то дико долго и очень затратно, и сомневаюсь, что вообще практично.
Hellsy22
28.11.2017 20:06И на сколько надо нагревать/охлаждать всё это, чтоб «мышцу» сократить/расслабить?
Да, в общем-то, как и любую тепловую машину, полагаю. КПД будет процентов 20 от силы.
plastilinko
28.11.2017 17:46Видимо упор на стоимость и простоту изготовления. А то так то по сути тот же пневмоцилиндр что на пазиках двери открывает и закрывает
alexhott
28.11.2017 19:58Урок "простая физика" в кружке юного техника. Практического смысла абсолютно не имеет. Если посчитать эффективность, то затраты энергии окажутся куда выше любых классических приводов, и тем более ни в какое сравнение с мышцами это изделие ставить нельзя.
ThunderCat
28.11.2017 21:21Не ясно в чем необходимость внутреннего каркаса, просто гофротрубы будет недостаточно?
agat000
29.11.2017 05:24Нового здесь только модное слово «оригами».
Такого добра напридумывали массу. Например раз
например два
Нет, молодцы, конечно. Но к технике это не пристегнешь.
Tachyon
29.11.2017 06:02Нет, я понимаю что стремление к антропоморфности это повсюду (многих роботов делают похожими на людей) думаю потому что эта форма(человек) уже давно отработана эволюцией и показала себя нормально, а так же потому что что-то антропоморфное человеку легче воспринять психологически положительно ( он уже видел подобное вокруг и знает как это ''работает'') Но почему же устройства сделанные по принципу мышц (на КДПВ) должны иметь цвет как мышцы(мясо)?
Aberro
29.11.2017 08:56Такая технология вполне имеет право на жизнь. Во-первых, это именно дешевизна. Во-вторых, в отличие от поршней, она не жёсткая, такие приводы могут изгибаться, хотя это и увеличивает износ. В-втретьих, они потенциально могут быстро работать, если соединены с компрессором не напрямую, а через вакуумную камеру с клапаном — при открытии клапана происходит быстрое сжатие. Кроме того, таким образом можно к одному компрессору и одной камере подключить сразу несколько таких приводов с независимыми клапанами. В-четвёртых, не везде где нужно можно расположить поршни — они жёсткие и длинные, что несколько ограничивает область применения, а в данном случае вся техника может быть размещена почти где угодно, тем более удобно, если это один мощный компрессор на несколько таких «мышц» — в таком случае можно сэкономить по массе.
По части износа — есть большой выбор материалов с различными свойствами, в наше время это не большая проблема, тем более при низкой цене и возможности наладить мелкосерийное производство. А с учётом того, что многие роботы требуют большого количества поршней или шаговых двигателей, у каждого из которых тоже есть свой ресурс и вероятность брака/сбоя, то данное решение может оказаться даже надёжнее, используя меньшее количество сложной техники.fpir
29.11.2017 11:44Да, это Вы хорошо придумали с одним насосом и резервуаром вакуума, тянет на открытие. Вот только на производствах есть труба с надписью «воздух» и труба с надписью «вакуум», даже есть цветовое обозначение по ГОСТ. Так, что открытие уже сделали до Вас.
Про поршень тоже резонно, но опять-же, есть мембранные приводы, как-раз там, где требуется рабочий ход в эти самые 10%. Они тоже дешёвые и с прогнозируемым износом. И используются повсеместно, да хоть на тех-же тормозах у грузовиков.
Подозреваю, что исследователи из MIT тоже не часто бывают в цехах заводов и плохо знают конструкцию грузовиков(это при условии, что они «добросовестно заблуждаются»).ThunderCat
29.11.2017 19:52Про поршень тоже резонно, но опять-же, есть мембранные приводы, как-раз там, где требуется рабочий ход в эти самые 10%.
речь идет не о сжатии на 10%, а на уменьшение размера до 10% от изначального (до 90% сжатия).
APLe
Эээ… Они изобрели гидравлику и пневматику?
zahmTOD
Они проработали материалы, и придумали как складывать «оригами» из каркаса так, чтобы сжималось в нужных направлениях
PoliTeX
Но по сути это же поршень?
zahmTOD
Нет, технически это вакуумный пакет. У поршня линейное движение, тут вектор зависит от каркаса внутри пакета, и меняется в процессе. Поршень может быть на другой стороне шланга, но там обычный компрессор скорее всего.
PoliTeX
Как он меняется в процессе? Жестко задан при изготовлении. Тут скорее можно говорить о способе задания траектории движения.
scream_r
Именно что без поршня. Поршень сложная, жёсткая конструкция, с трущимися частями требующими уплотнения. Всего этого здесь нет. Сжимающийся элемент гибок, дёшев, герметичен. А вот обвязка как у поршня, да.
Sdima1357
и ломается на сгибах, высыхает на солнце и ресурс меньше года и требует обратной связи
PoliTeX
Поместить воздушный шарик в трубку 50-100мм диаметром. Можно патентовать?
AllexIn
А что, много действительно сложных технологий?
Колесо — вообще примитивная штука. А весь мир изменила. И с каменного века не устарела.
PoliTeX
Т.е. нет разницы между «не устарело» и «новое»?
AllexIn
Я про сложность спрашивал.
PoliTeX
Хорошо, сколько/каких простых, но прорывных технологий изобрели за последние лет 20-30?
AllexIn
Дайте опреление прорывности, плиз.
На мой взгляд — близкий к теме пример — это микроскоп за два доллара, который спасает кучу жизнией в странах третьего мира.
PoliTeX
Вы про микроскоп Левенгука? 1600-е.
AllexIn
Ого! А где купить за два доллара? Давайте два.
PoliTeX
я так понимаю речь об этом:
geektimes.ru/post/258428
Hellsy22
Удачи им с позиционированием препарата, фокусировкой и вообще увеличением x2000 «на сухую»
DrZlodberg
Сильфон не?
Правда не так дёшево.