У Південній Кореї науковці досягли значного прориву у царині робототехніки, створивши штучний м’яз, здатний підіймати вагу, що перевершує його власний показник приблизно у чотири тисячі разів. Ця розробка обіцяє кардинально змінити уявлення про можливості майбутніх гуманоїдних роботів, інтегрованих пристроїв та систем взаємодії між людиною і машиною.
Нове слово у матеріалознавстві
Вирішальна перевага цього новоствореного м’яза полягає у його подвійній властивості – бути як гнучким, так і пружним, жорстким, коли це необхідно. Це є безпрецедентним досягненням у даній сфері досліджень. Досі штучні м’язи мали суттєве обмеження – вони або були надзвичайно розтяжними, але занадто слабкими, або міцними, але несхильними до гнучкості. Команда під керівництвом Хуна Еуя Чжонга, професора машинобудування Ульсанського національного інституту науки і технологій (UNIST) – визнаного освітньо-дослідницького центру, що стоїть на передньому краї інженерних та наукових відкриттів у Південній Кореї, – оприлюднила результати своїх вишукувань у фаховому журналі Advanced Functional Materials сьомого вересня. Цей журнал є одним із найавторитетніших видань у сфері матеріалознавства, публікуючи передові дослідження, які змінюють уявлення про властивості та застосування нових матеріалів.
«Це дослідження долає фундаментальне обмеження, за якого традиційні штучні м’язи або дуже еластичні, але слабкі, або міцні, але негнучкі», – зазначив професор Чжонг у своєму виступі. «Наш композитний матеріал здатний на обидва ці стани, розширюючи обрії для створення більш багатофункціональних м’яких роботів, сучасних носимих пристроїв та інтуїтивно зрозумілих інтерфейсів людина – машина».
Штучні м’язи відіграють значну роль у розвитку робототехніки, проте їхнє застосування часто обмежується необхідністю поєднання розтяжності з достатньою енерговіддачею. М’які штучні м’язи вважаються трансформаційними завдяки своїй легкості, механічній податливості та здатності до багатовісного руху. Показник «щільність роботи», про який говорять дослідники, позначає кількість енергії, яку м’яз може передати на одиницю об’єму. Досягнення високих значень цього показника разом із високою еластичністю є найбільшим викликом для розробників штучних м’язів.
Як працює суперм’яз?
Вчені описують свій винахід як «високоефективний магнітний композитний актуатор». Це складна хімічна сполука полімерів, що об’єднуються для імітації скорочення та розслаблення природних м’язів. Полімери – це великі молекули, що складаються з повторюваних субодиниць, які є будівельними блоками багатьох природних і синтетичних матеріалів.
Один із цих полімерів може змінювати ступінь своєї жорсткості. Він міститься у матриці, на поверхні якої розміщені магнітні мікрочастинки, які також піддаються контролю. Це дає можливість керувати анімацією та рухом м’яза шляхом регулювання його жорсткості.
Новаторська конструкція дослідників передбачає інтеграцію двох відмінних механізмів зшивання. Перший – це ковалентно зв’язана хімічна мережа, де атоми діляться електронами для досягнення стабільнішої конфігурації. Другий – оборотна фізично взаємодіюча мережа. Таке поєднання забезпечує тривалу та надійну роботу штучного м’яза, як зазначають науковці у своєму звіті.
Компроміс між жорсткістю та еластичністю ефективно вирішено за допомогою архітектури з подвійним зшиванням. Фізична мережа додатково посилюється завдяки включенню певного типу мікрочастинок – NdFeB (неодим-залізо-бор), відомих як сильні постійні магніти. Ці частинки, функціоналізовані за допомогою безбарвної рідини – октадецилтрихлорсилану, – рівномірно розподілені по всій полімерній матриці.
Цей композитний м’яз стає жорстким, коли переносить значні навантаження, і м’якшає, коли потрібно скоротитися. У своєму затверділому стані штучний м’яз, вага якого становить усього 1,13 грама, може підтримувати до 5 кілограмів – це приблизно у 4400 разів більше його власної ваги.
Для порівняння – людський м’яз скорочується приблизно на 40% від своєї довжини, тоді як синтетичний м’яз досягає скорочення на 86,4%, що більш ніж удвічі перевищує можливості людського м’яза. Це забезпечує щільність роботи 1150 кілоджоулів на кубічний метр – у 30 разів вище, ніж у людських тканин. Дослідники використовували одновісний тест на розтягнення, тип механічного випробування, що вимірює міцність матеріалу шляхом прикладання сили розтягування до руйнування, щоб визначити максимальну міцність свого штучного м’яза.
