Dodano: 19 kwiecień 2018r.

Sztuczne mięśnie, które udźwigną ciężar 12 tys. razy przekraczający ich masę

Na Uniwersytecie Illinois opracowano sztuczne mięśnie wykonane z włókna węglowego oraz gumy, które są w stanie podnieść 12 600 razy większą masę niż ich własna masa.

 

Sztuczne mięśnie już dawno przekroczyły swoje naturalne odpowiedniki, a opracowany niedawno nowy ich rodzaj jeszcze wyżej podnosi poprzeczkę. Naukowcy z Uniwersytetu Illinois opublikowali w czasopiśmie „Smart Materials and Structures” opis, jak wytwarzać sztuczne mięśnie o wysokiej wytrzymałości.

Opracowane przez nich sztuczne mięśnie te są w stanie wytrzymać obciążenie mechaniczne 60 MPa. Mogą wykonać pracę właściwą do 758 dżuli na kilogram. To 18 razy więcej niż możliwości jakiegokolwiek naturalnego mięśnia.

Naukowcy biorący udział w badaniach już teraz reklamują korzyści, jakie może przynieść ich praca. Sztuczne mięśnie zbudowane są z gumy siloksanowej oraz włókna węglowego. Ich produkcja jest bardzo tania. Mogą one zrewolucjonizować takie dziedziny jak robotyka, protetyka, ortetyka oraz polepszyć działanie urządzeń wspomagających. Zastosowań z pewnością znajdzie się więcej. Do tego niskie koszty produkcji pomogą sztucznym mięśniom w odniesieniu sukcesu.

 

Mięśnie zostały zaprojektowane tak, aby miały zwiniętą geometrię. Badacze chcieli sprawić, by zwinięte, sztuczne mięśnie stały się mocniejsze i bardziej praktyczne. I udało się. Włókno o średnicy 0,4 mm jest w stanie podnieść blisko dwa kilogramy na wysokość 3,6 centymetra. Potrzebuje do tego minimalnej ilości energii elektrycznej - zaledwie 0,172 V/cm.

Mięśnie można skurczyć za pomocą energii elektrycznej. To podgrzewa gumę silikonową, która następnie odsuwa włókna węglowe od siebie, sprawiając, że średnica mięśnia rozszerza się, a długość skraca podnosząc ładunek przymocowany do jednego końca mięśnia. Użyte materiały sprawiają, że sztuczne mięśnie są niezwykle lekkie i zarazem bardzo mocne.

- Aby użyć włókien węglowych, musieliśmy zrozumieć mechanizm skurczu zwiniętych mięśni. Gdy poznaliśmy teorię, nauczyliśmy się przekształcać włókna węglowe w bardzo silne mięśnie. Następnie wypełniliśmy nici z włókien węglowych odpowiednim typem gumy silikonowej. Ich wydajność okazała się imponująca, dokładnie to, do czego zmierzaliśmy – wyjaśnił autor badań Sameh Tawfick.

Zespół opracował także model matematyczny, aby opisać, w jaki sposób sztuczny mięsień mógłby funkcjonować pod różnymi parametrami. Można to wykorzystać do projektowania sztucznych mięśni o określonych właściwościach, dostosowanych do konkretnych zastosowań.

- Proponowany przez nas model matematyczny jest użytecznym narzędziem do projektowania, które pozwala dostosować wydajność zwiniętych sztucznych mięśni do różnych zastosowań. Ponadto model zapewnia zrozumienie wszystkich parametrów, które odgrywają ważną rolę w mechanizmie ruchu – powiedziała Caterina Lamuta, współautorka badań.

 

 

Źródło: University of Illinois, New Atlas, fot. University of Illinois