Ученые давно занимаются разработкой искусственных мышц и в зависимости от того, в какой сфере они работают. Так, в сфере робототехники давно и довольно долго используются мягкие электростатические двигатели, а вот биомедики из университета Дюка смогли вырастить мышечные ткани, обладающие гибкостью, эластичностью и силой мышц естественного происхождения.
Однако биомедики и раньше создавали подобные вещи, но новая разработка ученых оказалась наиболее интересной. Все дело в том, что у инженеров-биомедиков получилось создать мышцы, которые после имплантации в организмы могут регенерировать в случае повреждения.
Работу в данной сфере исследователи начали много лет назад, однако даже сейчас продолжают сталкиваться с различными проблемами. Одной из проблем является тот факт, что вырастить мышечную ткань довольно легко, однако наделить всеми характеристиками настоящей мышечной ткани или превзойти ее, гораздо сложнее.
«Созданные нами в области изготовления различных искусственных тканей. Это первый искусственный мускул, который обладает силой и прочими характеристиками мускула естественного происхождения, который способен к самостоятельной регенерации и который можно трансплантировать практически любым видам живых существ» — Ненанд Берсэк, исследователь из университета Дюка
Используя новую методику разработанную учеными университета, инженерам удалось получить упорядоченные в одном направлении волокна выращиваемой ткани, именно это и дает новым мышцам их силу и эластичность. Более того, в процессе выращивания волокон ткани, биомедики оставили пустые промежутки между ними и между ними поместили мышечные стволовые клетки. Таким образом, при получении повреждений, стволовые клетки превращаются в клетки ткани и ткань восстанавливается. Интересно еще и то, что процесс регенерации активируется еще и в случае повреждения тканей токсинами.
Что бы проверить работоспособность искусственных мышц, ученые поместили их в стеклянную оболочку, вживленную в спину подопытного животного. Стоит отметить, что перед началом проверки, ученые модифицировали мускулы на генном уровне для возможности производить вспышки флуоресцентного света при их сокращении. По прошествии двух недель исследователи производили регистрацию излучаемого света и выяснили, что вспышки света увеличили интенсивность и стали сильнее, параллельно с тем, как мышца обретала силу.
На данный момент исследователи изучают проблему использования искусственных мышечных тканей для поврежденных в результате травм или болезней мышц людей или животных. Специалисты надеются, что уже в ближайшем будущем подобную технологию можно будет использовать не только для восстановления повреждения мышечной ткани человека, но и для возможности восстановить силу и подвижность деградировавшую мускулатуру людей, которые в этом будут нуждаться.
24 Февраля 2014Как изготовить искусственные мышцы из рыболовной лески
Исследователи из Техасского университета в Далласе (США) представили синтетические мышцы, которые в 100 раз мощнее настоящих мышечных волокон той же длины и массы.
При этом сама технология изготовления оказалась на удивление простой. Для искусственных мышц не понадобилось никаких изощрённых синтетических полимеров: Рэй Бофман (Ray Baughman) и его коллеги просто взяли полимерную нить из тех, которые используют для производства рыболовной лески или синтетических ниток, и скрутили её в спираль. Эта спираль при перемене температуры могла скручиваться и растягиваться. Любопытно, что техпроцесс можно было поменять и так, чтобы эффект был обратным, то есть чтобы нить при остывании скручивалась, а при нагреве растягивалась. Варьируя число нитей в пучке, можно добиваться иных механических характеристик искусственного «мышечного волокна».
Синтетические волокна, сделанные из шести нитей разной толщины:
верхнее сложено из ниток толщиной в 2,45 мм, нижнее – из ниток толщиной в 150 мкм.
(Фото авторов работы.)
И характеристики эти воистину впечатляют. Во-первых, по сравнению с обычными мышцами, которые могут сокращаться лишь на 20% от своей длины, искусственные способны уменьшаться наполовину. Быстрого утомления такие мышцы, разумеется, тоже не знают. Если объединить вместе сотню элементарных волокон, то такая мышца сможет поднять больше 700 кг. Относительно веса волокна могут развивать мощность в 7,1 л.с. на кг, что соответствует, по словам исследователей, мощности реактивного двигателя.
Двигателем же для них, как уже сказано, служит перепад температуры, обеспечить который можно как угодно – хоть с помощью химической реакции, хоть посредством электричества (да хоть своим дыханием грейте эти волокна). Что же до самих волокон, то учёные особенно напирают на исключительную простоту их изготовления: дескать, любой студент сделает такое во время обычной лабораторной, главное – соблюсти физические условия, при которых вы будете деформировать нить. Гениальность же авторов идеи в том, что им удалось в этой тривиальной полимерной конструкции угадать огромный физический потенциал.
Собственно, простота этих мышц, наверное, мешает вот так сразу оценить всю революционность изобретения. Хотя исследователи, разумеется, продемонстрировали возможное его применение: приспособленные к окну, они закрывали и открывали его в зависимости от окружающей температуры. Кроме того, из волокон удалось создать тканую материю, пористость которой опять же менялась в зависимости от температуры, а отсюда легко представить себе «умную» одежду, которая будет сама проветривать вас в жару и экономить тепло в холод.
Но, конечно, львиная доля фантазий вокруг и около искусственных мышц отдана робототехнике. Понятно, что такие волокна могут стать прямым аналогом человеческих мышц у роботов, с помощью которых те смогут даже менять выражение лица. Синтетические мышцы пригодятся как при поднятии тяжестей, так и при выполнении тонких хирургических манипуляций (если мы представим себе медицинские аппараты будущего).
В прошлом такие волокна пытались делать из углеродных нанотрубок. По словам Рэя Бофмана, который прошёл и через этот этап, эксперименты с нанотрубками были успешными, но, во-первых, такие «наномышцы» очень сложны в изготовлении и чрезвычайно дороги, а во-вторых, они сокращались всего на 10% от своей длины, то есть уступали даже обычным живым мышцам, не говоря уже о только что явленных полимерных волокнах.
У нас же есть пока только один вопрос, который касается эффективности и экономичности: сколько тепла (и, следовательно, электрической или химической энергии) нужно потратить на их механическую работу? Авторы признаются, что, как и вообще все искусственные мышцы, их волокна в этом смысле не отличаются особой эффективностью, однако есть определённые надежды, что в этом случае оптимизировать энергетические затраты получится довольно быстро.
Подготовлено по материалам Техасского университета в Далласе: Researchers Create Powerful Muscles From Fishing Line, Thread .
назадЧитать также:
06 Февраля 2014Бионическая рука с чувством осязания
Девять лет назад датчанину Деннису Соренсену пришлось ампутировать левую руку. Разумеется, он ни на минуту не задумался, когда ему предложили испытать бионический протез, позволяющий не только выполнять движения, но и осязать предметы.
читать 22 Января 2014Киборг-сперматозоид
Группа исследователей из Университета Иллинойса разработала новый тип крошечных биогибридных машин, способных передвигаться подобно сперматозоидам.
читать 22 Января 2014Реабилитации парализованной ноги помогут искусственные мышцы
От парализованной стопы можно добиться почти естественной подвижности, если воспользоваться сделанным из гибкого эластичного материала ортопедическим аппаратом, имитирующим устройство мышц и связок ноги.
читать 22 Января 2014Полимерная клетка имитирует живую
Голландские исследователи произвели искусственную эукариотную клетку, в которой находятся искусственные органеллы и протекают биохимические реакции, аналогичные реакциям, протекающим в клетках живых организмов.
читать 26 Декабря 2013Нематода с открытым кодом
Авторы проекта OpenWorm, целью которого является создание точной компьютерной копии круглого червя C.elegans, заявили о значительных успехах в моделировании этой нематоды. Исходный код программы опубликован в открытом доступе.
Многие из нас хотели бы быть похожи на Брэда Пита, Вин Дизеля или Арнольда Шварценеггера, в конце концов просто обладать мускулистой и рельефной фигурой. К сожалению, не каждого из нас природа наградила мезоморфным типом телосложения, квадратным подбородком и твердым как камень прессом. Поэтому мы проводим часы в тренажерном зале и жадно пьем протеиновые коктейли для набора массы. Проходят месяцы и годы, но до заветной фигуры как на обложке журнала еще потеть и потеть. Где же подвох?
А подвох в том, что современная медицина может отсечь все лишнее и вылепить из человеческого тела практически любую воображаемую фигуру. Хирургическое уменьшение груди, липосакция, ботокс и поразительное множество имплантантов, улучшающих форму тела, находятся в пределах досягаемости. Если бы вы знали, сколько силиконовых мышц вставлено в некоторых "атлетов" и сколько они перенесли пластических операций, чтобы получить идеальное тело, ваша зависть однозначно поубавилась бы.
Если же вам лениво утруждать себя тренировками и хочется быстрого результата путем хирургических модификациий своего тела – эта статья для вас!
Уменьшение размеров груди
Итак, у вас есть небольшой излишек жира в области груди или, возможно, вы мужчина с сильно развитой грудью. В любом случае, ваша цель - ровная, мужественная грудь. Операции по уменьшению груди включают в себя вакуумную откачку жира и отсечение лишней кожи для создания нормальной мужской груди. Вся процедура обычно занимает от одного до двух часов.Риски : данная процедура сопряжена со сравнительно невысокими рисками. Как в случае любого хирургического вмешательства, возможны бактериальные инфекции, но они редки. Вы также можете столкнуться с нечувствительностью сосков и окружающих участков, и эта недостаточная чувствительность может стать постоянной или кратковременной.
Расходы : уменьшение груди может оказаться одной из самых экономичных процедур. Обычно хирурги берут от 1 500 $ до 3 000 $, в зависимости от продолжительности операции.
Имплантанты
Вы провели месяцы в тренажерном зале, но ваша грудь все еще впалая и слабая? Вне зависимости от времени, уделяемого икроножным мышцам, ноги остаются худыми как прутики? Не волнуйтесь, грудные, брюшные и даже ягодичные имплантанты помогут вам приобрести внешность накаченного завсегдатая тренажерного зала всего за несколько часов. Имплантанты, как правило, изготавливаются из силикона и гибкого пластика для имитации упругих мускулов и вводятся в оперируемую область через маленький разрез длиной около нескольких сантиметров. Каждая операция с установкой имплантантов обычно длится от одного до двух часов на одной области.Риски : снова - есть риск инфекции. Опухлость и плотность вокруг имплантанта - распространенное явление, и восстановление занимает от одной до двух недель. Есть риск что имплантанты могут сместиться и придать телу ассиметричную форму.
Расходы : установка имплантантов занимает немного больше времени, чем уменьшение груди или липосакция. Поэтому будьте готовы заплатить от 2 000 $ до 15 000 $ за один имплантант.
Ботокс
Ваши брови постоянно нахмурены с момента повышения по службе 5 лет назад, и сейчас вы похожи на шарпея? Возможно, ботокс - это то, что вы ищете: способ разгладить эти морщины без скальпеля. Ботокс - это убивающий нервы токсин, производимый бактерией Clostridium botulinum. При введении его под морщины он заставляет мышцы лица расслабиться, что в свою очередь разглаживает кожу. Эффект от процедуры наступает в течение пяти дней и длится до шести месяцев. После этого действие лицевых мышц восстановится, и морщины могут вернуться.Риски : несмотря на токсичную природу ботокса, процедура сопряжена с очень незначительным риском. В некоторых случаях инъекция может сперва вызвать обвисание вокруг век, однако этот эффект почти всегда исчезает через несколько недель.
Стоимость : ботокс не дешев. Крошечный пузырек стоит около 450 $. Помня об этом, будьте готовы отдать от 200 $ и 300 $ за инъекцию. И если вы не желаете подпустить морщины снова, вам придется раскошеливаться каждые шесть месяцев.
Липосакция
Ваш план кардио-тренировок имел оглушительный успех, и вы потеряли тонны веса, однако по-прежнему носите карманы с жиром вокруг живота, и жировые складки крепко обхватывают вашу талию?Липосакция может удалить этот жир немедленно, придав совершенную точеную форму вашей фигуре. Во время процедуры хирург вставит специальную трубку - своеобразный ваккуумный отсос, и откачает лишний жир. В зависимости от того, сколько жира было убрано и насколько упруга ваша кожа, хирург может удалить излишек кожи. Вся процедура может занять от одного до четырех часов, в зависимости от количества удаляемого жира.
Риски : хотя липосакция кажется простой процедурой, она в действительности довольно травматична по отношению к области воздействия. Во время процедуры ткани, которые крепят кожу к телу, отрываются, оставляя массивную рану, подлежащую последующему заживлению. Обычным явлением бывают опухлости, иногда настолько большие, что требуется носить плотную компрессионную одежду для сведения их к минимуму. Синяки также распространены, но обычно они исчезают примерно через неделю. Полное восстановление после процедуры может занять до трех недель, но даже тогда в зоне воздействия может сохраняться нечувствительность.
Расходы : в зависимости от степени воздействия липосакция может стоить от 1 500 $ до 15 000 $.
Под нож?
Стремление получить красивую фигуру здесь и сейчас может поселиться в вашем сознании, но не забывайте, что пластическая операция - это хирургическое вмешательство и, следовательно, болезненна и рискованна. На загнивающем западе тысячи мужчин буквально "сходят с ума" по пластическим операциям. Причем огромную популярность набирают именно мышечные имплантанты.Что вы думаете по этому поводу? Силиконовым мышцам быть?
Искусственные мышцы хороши тем, что не содержат внутренних подвижных элементов. Это еще одна, довольно радикальная, альтернатива электродвигателям и пневматике с гидравликой. Существующие сегодня образцы представляют собой либо полимеры, чувствительные к напряжению или температуре, либо сплавы с памятью формы. Для первых требуется довольно высокое напряжение, вторые же имеют ограниченный диапазон движения и к тому же весьма дороги. Для создания мягких роботов используют и сжатый воздух, но это подразумевает наличие насосов и усложняет конструкцию. Чтобы сделать искусственные мышцы, мы обратились к рецепту ученых из Колумбийского университета, которым удалось соединить в одной конструкции высокую мощность, легкость, эластичность и потрясающую простоту. Мышцы представляют собой обычный мягкий силикон, в который заранее вводятся пузырьки спирта. При нагревании нихромовой спиралью спирт внутри них начинает кипеть, и силикон сильно разбухает. Однако если поместить все это в жесткую оплетку с перпендикулярным переплетением нитей, то разбухание превратится в обычное сокращение — примерно так же работают пневматические двигатели Маккиббена.
Поскольку силикон плохо проводит тепло, важно не подавать на спираль слишком большую мощность, иначе полимер начинает дымить. Это, конечно, выглядит эффектно и почти не мешает работе, но в конце концов может привести к пожару. Малая мощность тоже нехороша, так как время сокращения тогда может затянуться. В любом случае в конструкции не будут лишними ограничительный термосенсор и ШИМ-регулятор.
Методы
Силиконовые мышцы удивительно просты по конструкции, и при работе с ними реально столкнуться только с двумя проблемами: подбором мощности и созданием достаточно удобных форм для заливки.
Заливочные формы удобно делать из прозрачных пластиковых листов. Только учитывайте, что механизм крепления спирали внутри полимера следует продумывать заранее: после заливки будет поздно.
И материалы
Мягкий силикон для создания мышц можно приобрести в магазинах, где продаются товары для творчества. Оплетка нужного плетения обычно используется для организации и проводки кабелей, искать ее следует у электриков. Самые большие сложности возникают с 96-процентным этанолом, который в России купить сложнее, чем танк. Впрочем, его вполне можно заменить изопропанолом.
«Популярная Механика» выражает благодарность Магазину скелетов за помощь в проведении съемок.Современные роботы могут многое. Но при этом им далеко до человеческой легкости и грациозности движений. И вина тому - несовершенные искусственные мышцы. Ученые многих стран стараются решить эту проблему. Статья будет посвящена краткому обзору их удивительных изобретений.
Полимерные мышцы от сингапурских ученых
Шаг к более недавно сделали изобретатели из Национального Сегодня андроиды-тяжеловесы двигаются за счет работы гидравлических систем. Существенный минус последних - небольшая скорость. Искусственные же мышцы для роботов, представленные сингапурскими учеными, позволяют киборгам не только поднимать предметы, которые в 80 раз тяжелее их собственного веса, но и делать это так же быстро, как и человек.
Инновационная разработка, растягивающаяся в длину в пять раз, помогает "обойти" роботам даже муравьев, которые, как известно, могут переносить предметы в 20 раз тяжелее веса их собственного тельца. Полимерные мышцы обладают следующими достоинствами:
- гибкостью;
- поражающей прочностью;
- эластичностью;
- способностью менять свою форму за несколько секунд;
- возможностью преобразовывать кинетическую энергию в электрическую.
Однако на этом ученые не собираются останавливаться - в их планах создать искусственную мускулатуру, которая бы позволила роботу поднимать груз, в 500 раз тяжелее его самого!
Открытие из Гарварда - мышцы из электродов и эластомера
Изобретатели, которые трудятся в Школе прикладных и инженерных наук Гарвардского университета, представили качественно новые искусственные мышцы для так называемых "мягких" роботов. По словам ученых, их детище, состоящее из мягкого эластомера и электродов, в чьем составе углеродные нанотрубки, по своим качествам не уступает человеческой мускулатуре!
Все существующие на сегодня роботы, как уже говорилось, имеют в своей основе приводы, чей механизм - это гидравлика или пневматика. Такие системы работают за счет сжатого воздуха или реакции химических веществ. Это не позволяет сконструировать робота, такого же мягкого и быстрого, как человек. Гарвардские ученые устранили этот недостаток, создав качественно новый концепт искусственных мышц для роботов.
Новая "мускулатура" киборгов - многослойная структура, в которой электроды из нанотрубок, созданные в лаборатории Кларка, управляют верхними и нижними слоями гибких эластомеров, являющихся детищем ученых уже из Калифорнийского университета. Такие мышцы идеальны как для "мягких" андроидов, так и для лапароскопических инструментов в хирургии.
На этом замечательном изобретении гарвардские ученые не остановились. Одна из последних их разработок - это биоробот-скат. Его составляющие - клетки сердечных мышц крыс, золото и силикон.
Изобретение группы Баухмана: еще один вид искусственных мышц на основе углеродных нанотрубок
Еще в 1999 г. в австралийском городке Кирхберге на 13-й встрече Международной зимней школы по электронным свойствам инновационных материалов выступил с докладом ученый Рей Баухман, работающий в компании Allied Signal и возглавляющий международную исследовательскую группу. Его сообщение было на тему изготовления искусственных мышц.
Разработчики под началом Рэя Баухмана смогли представить в виде листов нанобумаги. Трубочки в этом изобретении были всячески переплетены и перепутаны между собой. Сама нанобумага своим видом напоминала обычную - ее возможно было держать в руках, разрезать на полосы и кусочки.
Эксперимент группы с виду был очень прост - ученые прикрепили кусочки нанобумаги к разным сторонам клейкой ленты и опустили эту конструкцию в соляной электропроводный раствор. После того как была включена слабовольтная батарея, обе нанополоски удлинились, особенно та, что была связана с отрицательным полюсом электробатареи; затем бумага изогнулась. Модель искусственной мышцы функционировала.
Сам Баухман считает, что его изобретение после качественной модернизации существенно преобразит роботехнику, ведь такие углеродные мышцы при сгибании/разгибании создают электрический потенциал - производят энергию. К тому же такая мускулатура раза в три сильнее человеческой, может функционировать при крайне высоких и низких температурах, используя для своей работы невысокую силу тока и напряжения. Вполне возможно ее применение и для протезирования человеческих мышц.
Техасский университет: искусственные мышцы из рыболовной лески и швейных ниток
Одной из самых поразительных является работа ученой группы из Техасского университета, который расположен в Далласе. Ей удалось получить модель искусственной мускулатуры, по своей силе и мощности напоминающей реактивный двигатель - 7,1 л.с./кг! Такие мышцы в сотни раз сильнее и продуктивнее человеческих. Но самое удивительное здесь то, что их сконструировали из примитивных материалов - высокопрочной лески из полимера и швейной нитки.
Питание такой мышцы - это перепад температур. Обеспечивает его швейная нить, покрытая тонким слоем металла. Однако в будущем мышцы роботов могут подпитываться от перепадов температур окружающей их среды. Это свойство, кстати, вполне можно применять для адаптирующейся к погоде одежды и других подобных устройств.
Если скручивать полимер в одну сторону, то он будет резко сжиматься при нагревании и быстро растягиваться при охлаждении, а если в другую - то в корне наоборот. Такая нехитрая конструкция может, например, вращать габаритный ротор со скоростью 10 тыс. оборотов/мин. Плюс таких искусственных мышц из лески в том, что они способны сокращаться до 50 % от своей исходной длины (человеческие только на 20 %). Кроме этого, их отличает удивительная выносливость - эта мускулатура не "устает" даже после миллионного повторения действия!
От Техаса до Амура
Открытие ученых из Далласа вдохновило немало ученых со всего мира. Успешно повторить их опыт, однако, удалось только одному роботехнику - Александру Николаевичу Семочкину, главе лаборатории информационных технологий при БГПУ.
Вначале изобретатель терпеливо ждал новых статей в Science о массовом внедрении в жизнь изобретения американских коллег. Так как этого не происходило, амурский ученый решил со своими единомышленниками повторить замечательный опыт и сотворить своими руками искусственные мышцы из медной проволоки и рыболовной лески. Но, увы, копия оказалась нежизнеспособной.
