Loading ...Исследователи Empa работают над созданием искусственных мышц, которые могут конкурировать с настоящими. Теперь они разработали метод производства мягких и эластичных, но мощных структур с помощью 3D-печати.
Однажды их можно будет использовать в медицине или робототехнике — и везде, где нужно, чтобы вещи двигались одним нажатием кнопки. Работа опубликована в журнале Advanced Materials Technologies.
Искусственные мышцы не просто заставляют роботов двигаться: однажды они смогут поддерживать людей на работе или при ходьбе, или заменять травмированную мышечную ткань. Однако разработка искусственных мышц, которые можно сравнить с настоящими, является серьезной технической проблемой.
Чтобы не отставать от своих биологических аналогов, искусственные мышцы должны быть не только мощными, но и эластичными и мягкими. По своей сути искусственные мышцы — это так называемые актуаторы: компоненты, которые преобразуют электрические импульсы в движение. Актуаторы используются везде, где что-то движется при нажатии кнопки, будь то дома, в двигателе автомобиля или на высокотехнологичных промышленных предприятиях. Однако эти жесткие механические компоненты пока не имеют много общего с мышцами.
Примирение противоречий
Группа исследователей из Лаборатории функциональных полимеров Empa работает над приводами из мягких материалов . Теперь впервые они разработали метод производства таких сложных компонентов с использованием 3D-принтера.
Диэлектрические эластичные актуаторы (DEA) состоят из двух различных материалов на основе силикона: проводящего электродного материала и непроводящего диэлектрика. Эти материалы сцепляются слоями. «Это немного похоже на переплетение пальцев», — объясняет исследователь Empa Патрик Даннер. Если на электроды подать электрическое напряжение, актуатор сократится как мышца. Когда напряжение отключается, он расслабится и вернется в исходное положение.
3D-печать такой структуры — нетривиальная задача, знает Дэннер. Несмотря на их очень разные электрические свойства, два мягких материала должны вести себя очень похоже в процессе печати . Они не должны смешиваться, но должны все равно удерживаться вместе в готовом приводе.
Напечатанные «мускулы» должны быть максимально мягкими, чтобы электрический стимул мог вызвать требуемую деформацию. К этому следует добавить требования, которым должны соответствовать все материалы для 3D-печати: они должны разжижаться под давлением, чтобы их можно было выдавить из сопла принтера. Однако сразу после этого они должны быть достаточно вязкими, чтобы сохранять напечатанную форму.
«Эти свойства часто находятся в прямом противоречии», — говорит Дэннер. «Если вы оптимизируете одно из них, три других меняются… обычно в худшую сторону».
От перчатки виртуальной реальности до бьющегося сердца
В сотрудничестве с исследователями из ETH Zurich, Даннер и Дорина Оприс, которая возглавляет исследовательскую группу Functional Polymeric Materials, преуспели в согласовании многих из этих противоречивых свойств. Две специальные чернила, разработанные в Empa, печатаются в функционирующих мягких актуаторах с помощью сопла, разработанного исследователями ETH Тацио Плей и Яном Вермантом.
Сотрудничество является частью масштабного проекта Manufhaptics, который является частью стратегической области ETH Domain Advanced Manufacturing. Цель проекта — разработать перчатку, которая сделает виртуальные миры осязаемыми. Искусственные мышцы предназначены для имитации захвата объектов через сопротивление.
Однако существует гораздо больше потенциальных применений для мягких актуаторов. Они легкие, бесшумные и благодаря новому процессу 3D-печати могут быть сформированы по мере необходимости. Они могли бы заменить обычные актуаторы в автомобилях, станках и робототехнике. Если их еще больше развить, их также можно было бы использовать в медицинских целях.
Оприс и Даннер уже работают над этим. Их новый процесс может использоваться для печати не только сложных форм, но и длинных эластичных волокон. «Если нам удастся сделать их немного тоньше, мы сможем довольно близко подойти к тому, как работают настоящие мышечные волокна», — говорит Оприс. Исследователь считает, что в будущем из этих волокон можно будет напечатать целое сердце. Однако еще многое предстоит сделать, прежде чем такая мечта станет реальностью.
Новости партнеров:
Вам могло бы понравиться:
153
