Исследователи из Южной Кореи разработали новый тип искусственной мышцы, способной поднимать вес, почти в 4400 раз превышающий её собственный. Это достижение решает одну из ключевых проблем в робототехнике и материаловедении, открывая путь к созданию более мощных и функциональных гуманоидных роботов, мягких роботизированных систем и носимых устройств.
Руководителем исследования является Хун Ый Чжон, профессор машиностроения в Ульсанском национальном институте науки и технологий (UNIST). Результаты работы были опубликованы 7 сентября в научном журнале Advanced Functional Materials. Команда создала материал, который впервые в этой области исследований может быть одновременно и гибким, и прочным.
Ключевая инновация заключается в преодолении фундаментального компромисса. Ранее созданные искусственные мышцы были либо очень эластичными, но слабыми, либо прочными, но жёсткими. Новый материал способен быть как гибким, так и напряжённым в зависимости от поставленной задачи.
«Это исследование преодолевает фундаментальное ограничение, согласно которому традиционные искусственные мышцы либо очень эластичны, но слабы, либо прочны, но жестки, — заявил Хун Ый Чжон. — Наш композитный материал может и то, и другое».
Официально разработка называется «высокопроизводительный магнитный композитный привод». Его основа — сложная химическая комбинация полимеров. Уникальные свойства достигаются за счёт архитектуры двойного поперечного сшивания. Первая сеть, состоящая из ковалентных связей, обеспечивает долговечность материала. Вторая, обратимая сеть физических взаимодействий, позволяет активно изменять уровень жёсткости.
В состав композита входят полимер, жёсткость которого можно регулировать, и магнитные микрочастицы из сплава неодим-железо-бор (NdFeB). Эти частицы распределены по всей полимерной матрице и встроены в её поверхность. Для придания им необходимых функций частицы обрабатываются бесцветной жидкостью — октадецилтрихлорсиланом.
Принцип работы мышцы заключается в управляемой жёсткости. Она становится твёрдой и прочной, когда необходимо выдерживать большие нагрузки, и смягчается, когда требуется сократиться или изменить форму.
Конкретные показатели демонстрируют превосходство разработки. Образец искусственной мышцы весом 1,13 грамма (0.04 унции) способен удерживать груз массой до 5 килограммов (11 фунтов). Это означает, что соотношение прочности к весу составляет примерно 4400 к 1.
Показатель деформации растяжения искусственной мышцы достигает 86,4%, что более чем в два раза превышает аналогичный показатель для скелетных мышц человека, сокращающихся примерно на 40%.
Рабочая плотность материала, то есть количество энергии, которое он может произвести на единицу объёма, составляет 1150 килоджоулей на кубический метр (кДж/м³). Этот показатель в 30 раз выше, чем у мышечной ткани человека.
Для подтверждения прочности материала исследователи применили стандартный инженерный метод — одноосный тест на растяжение. В ходе этого теста к образцу прилагается растягивающее усилие до момента его разрыва, что позволяет точно измерить предел прочности на растяжение.
Данное открытие может привести к значительному прогрессу в создании универсальных мягких роботов, гуманоидных роботов нового поколения, а также в разработке носимых устройств и интуитивно понятных человеко-машинных интерфейсов.
Изображение носит иллюстративный характер
Руководителем исследования является Хун Ый Чжон, профессор машиностроения в Ульсанском национальном институте науки и технологий (UNIST). Результаты работы были опубликованы 7 сентября в научном журнале Advanced Functional Materials. Команда создала материал, который впервые в этой области исследований может быть одновременно и гибким, и прочным.
Ключевая инновация заключается в преодолении фундаментального компромисса. Ранее созданные искусственные мышцы были либо очень эластичными, но слабыми, либо прочными, но жёсткими. Новый материал способен быть как гибким, так и напряжённым в зависимости от поставленной задачи.
«Это исследование преодолевает фундаментальное ограничение, согласно которому традиционные искусственные мышцы либо очень эластичны, но слабы, либо прочны, но жестки, — заявил Хун Ый Чжон. — Наш композитный материал может и то, и другое».
Официально разработка называется «высокопроизводительный магнитный композитный привод». Его основа — сложная химическая комбинация полимеров. Уникальные свойства достигаются за счёт архитектуры двойного поперечного сшивания. Первая сеть, состоящая из ковалентных связей, обеспечивает долговечность материала. Вторая, обратимая сеть физических взаимодействий, позволяет активно изменять уровень жёсткости.
В состав композита входят полимер, жёсткость которого можно регулировать, и магнитные микрочастицы из сплава неодим-железо-бор (NdFeB). Эти частицы распределены по всей полимерной матрице и встроены в её поверхность. Для придания им необходимых функций частицы обрабатываются бесцветной жидкостью — октадецилтрихлорсиланом.
Принцип работы мышцы заключается в управляемой жёсткости. Она становится твёрдой и прочной, когда необходимо выдерживать большие нагрузки, и смягчается, когда требуется сократиться или изменить форму.
Конкретные показатели демонстрируют превосходство разработки. Образец искусственной мышцы весом 1,13 грамма (0.04 унции) способен удерживать груз массой до 5 килограммов (11 фунтов). Это означает, что соотношение прочности к весу составляет примерно 4400 к 1.
Показатель деформации растяжения искусственной мышцы достигает 86,4%, что более чем в два раза превышает аналогичный показатель для скелетных мышц человека, сокращающихся примерно на 40%.
Рабочая плотность материала, то есть количество энергии, которое он может произвести на единицу объёма, составляет 1150 килоджоулей на кубический метр (кДж/м³). Этот показатель в 30 раз выше, чем у мышечной ткани человека.
Для подтверждения прочности материала исследователи применили стандартный инженерный метод — одноосный тест на растяжение. В ходе этого теста к образцу прилагается растягивающее усилие до момента его разрыва, что позволяет точно измерить предел прочности на растяжение.
Данное открытие может привести к значительному прогрессу в создании универсальных мягких роботов, гуманоидных роботов нового поколения, а также в разработке носимых устройств и интуитивно понятных человеко-машинных интерфейсов.
