Исследователи из Техасского университета в Далласе (UT Dallas) разработали принципиально новую, недорогую технологию изготовления высокоэффективных пружиноподобных искусственных мышц, не требующую использования оправки. Ключевую роль в этом открытии сыграли доктор Рэй Бауман, директор Института нанотехнологий Алана Г. Макдайармида и заслуженный профессор химии имени Роберта А. Уэлча, а также доктор Мэнмэн Чжан, научный сотрудник этого же института и ведущий автор исследования.
Ранее для создания спиральных искусственных мышц из полимерных волокон или углеродных нанотрубок требовалась оправка (стержень), вокруг которой наматывался материал. После формирования спирали оправку необходимо было растворять, что являлось дорогостоящим процессом, приводило к потере материала оправки (обычно полимерного волокна большого диаметра) и образованию отходов.
Новый метод, разработанный под руководством доктора Чжан, полностью исключает необходимость в оправке. Процесс включает скручивание отдельных волокон до степени, недостаточной для их самопроизвольного скручивания в спираль. Затем эти скрученные волокна сплетаются вместе. Во время сплетения каждое волокно выступает в роли оправки для других, формируя пружиноподобные спирали.
Главное преимущество этой инновационной технологии — значительное удешевление производства искусственных мышц с высоким индексом пружины. Отказ от оправки устраняет связанные с ней затраты и отходы, открывая путь к массовому производству.
Полученные таким способом искусственные мышцы представляют собой пружиноподобные структуры из полимеров, приводимые в действие термически. Они демонстрируют выдающиеся характеристики: способность растягиваться на 97% от своей первоначальной длины при активации и индекс пружины, превышающий 50.
Индекс пружины определяется как отношение среднего диаметра пружины к диаметру составляющего ее волокна или проволоки. Высокий индекс пружины (в данном случае более 50) означает, что витки расположены свободно, обеспечивая высокую гибкость, подобно игрушке «Слинки». Низкий индекс соответствует плотно навитой, более жесткой пружине.
Активация этих полимерных мышц происходит под воздействием тепла, что вызывает их значительное сокращение или удлинение. Тепло может подаваться различными способами: путем пропускания электрического тока, использования растворителей или электрохимическими методами. Технология также позволяет варьировать индекс пружины по длине мышцы.
Безоправочный метод оказался универсальным и был успешно применен для создания нитей из углеродных нанотрубок с высоким индексом пружины. Такие структуры могут функционировать как самозаряжающиеся датчики деформации.
Спектр потенциальных применений новых искусственных мышц широк. Они могут использоваться в робототехнике, для создания механических преобразователей энергии, а также в «умной» одежде, например, в куртках, регулирующих комфорт. Такие куртки могут изменять свою теплоизоляцию, открывая или закрывая поры в ткани в зависимости от температуры окружающей среды.
Коммерческий потенциал безоправочной технологии особенно важен в свете предыдущего опыта. Ранее команда доктора Баумана лицензировала технологию спиральных мышц, изготовленных с помощью оправки. Эти мышцы использовались в куртках для сборной США на Зимних Олимпийских играх 2022 года в Пекине. Однако из-за высокой стоимости производства с оправкой коммерческий выпуск этой продукции был прекращен.
Новый, экономичный метод безоправочного изготовления может возродить коммерческий интерес к курткам с регулируемым комфортом и открыть дорогу для множества других практических применений высокоэффективных искусственных мышц.
Результаты исследования, проведенного учеными из Института нанотехнологий Алана Г. Макдайармида и Школы естественных наук и математики Техасского университета в Далласе при участии коллабораторов, были опубликованы в выпуске журнала Science от 7 марта.
Изображение носит иллюстративный характер
Ранее для создания спиральных искусственных мышц из полимерных волокон или углеродных нанотрубок требовалась оправка (стержень), вокруг которой наматывался материал. После формирования спирали оправку необходимо было растворять, что являлось дорогостоящим процессом, приводило к потере материала оправки (обычно полимерного волокна большого диаметра) и образованию отходов.
Новый метод, разработанный под руководством доктора Чжан, полностью исключает необходимость в оправке. Процесс включает скручивание отдельных волокон до степени, недостаточной для их самопроизвольного скручивания в спираль. Затем эти скрученные волокна сплетаются вместе. Во время сплетения каждое волокно выступает в роли оправки для других, формируя пружиноподобные спирали.
Главное преимущество этой инновационной технологии — значительное удешевление производства искусственных мышц с высоким индексом пружины. Отказ от оправки устраняет связанные с ней затраты и отходы, открывая путь к массовому производству.
Полученные таким способом искусственные мышцы представляют собой пружиноподобные структуры из полимеров, приводимые в действие термически. Они демонстрируют выдающиеся характеристики: способность растягиваться на 97% от своей первоначальной длины при активации и индекс пружины, превышающий 50.
Индекс пружины определяется как отношение среднего диаметра пружины к диаметру составляющего ее волокна или проволоки. Высокий индекс пружины (в данном случае более 50) означает, что витки расположены свободно, обеспечивая высокую гибкость, подобно игрушке «Слинки». Низкий индекс соответствует плотно навитой, более жесткой пружине.
Активация этих полимерных мышц происходит под воздействием тепла, что вызывает их значительное сокращение или удлинение. Тепло может подаваться различными способами: путем пропускания электрического тока, использования растворителей или электрохимическими методами. Технология также позволяет варьировать индекс пружины по длине мышцы.
Безоправочный метод оказался универсальным и был успешно применен для создания нитей из углеродных нанотрубок с высоким индексом пружины. Такие структуры могут функционировать как самозаряжающиеся датчики деформации.
Спектр потенциальных применений новых искусственных мышц широк. Они могут использоваться в робототехнике, для создания механических преобразователей энергии, а также в «умной» одежде, например, в куртках, регулирующих комфорт. Такие куртки могут изменять свою теплоизоляцию, открывая или закрывая поры в ткани в зависимости от температуры окружающей среды.
Коммерческий потенциал безоправочной технологии особенно важен в свете предыдущего опыта. Ранее команда доктора Баумана лицензировала технологию спиральных мышц, изготовленных с помощью оправки. Эти мышцы использовались в куртках для сборной США на Зимних Олимпийских играх 2022 года в Пекине. Однако из-за высокой стоимости производства с оправкой коммерческий выпуск этой продукции был прекращен.
Новый, экономичный метод безоправочного изготовления может возродить коммерческий интерес к курткам с регулируемым комфортом и открыть дорогу для множества других практических применений высокоэффективных искусственных мышц.
Результаты исследования, проведенного учеными из Института нанотехнологий Алана Г. Макдайармида и Школы естественных наук и математики Техасского университета в Далласе при участии коллабораторов, были опубликованы в выпуске журнала Science от 7 марта.
