«Развитие искусственных мышц». 

Перевод статьи «Advancements in artificial muscles» из 16-го выпуска официального онлайн-журнала проекта TVP Magazine. 
 
Искусственные мышцы можно применять в производстве протезов, промышленных механических манипуляторов, роботов-гуманоидов и движущихся частей самолетов. Еще их можно использовать для получения электроэнергии из волн, ходьбы (если расположить их на подошвах ботинок), и почти из любого вида механического движения. На самом деле, эта технология совсем не нова, исследования в этой области ведутся с 1880 года. 
 
Искусственная мускулатура развивалась по нескольким направлениям, но последние этапы развития связаны с электроактивными (импульсными) полимерами. 
 
Человеческие мышцы умеют сокращаться, но не растягиваться. Человек способен стоять прямо потому, что его мозг посылает электрохимические сигналы разным группам мышц, заставляя их сокращаться нужным образом. Мозг сопоставляет сигналы, полученные от органов чувств, и определяет, какие группы мышц нужно сократить, чтобы удерживать тело в вертикальном положении. Однако, искусственные мускулы на основе ионной технологии, способны как сокращаться, так и расширяться в зависимости от полярности напряжения, поданного к их электродам. В этом отношении искусственные мышцы совершеннее человеческих. 
 
Сладкие речи 
 
Группа ученых из Исследовательской Лаборатории Воздушных Сил на базе Райт-Паттерсон в Охио создали искусственное волокно, которое они назвали «пряжей» из-за его тканевой структуры, в 200 раз мощнее человеческой мышцы. Для сравнения, мышечная ткань человека способна толкать, тянуть или поднимать предметы весом до половины от его собственного веса. Бодибилдеры и другие спортсмены, прошедшие специальные тренировки, могут поднимать грузы с весом, превышающим их собственный вес в 3 раза. 
 
Обратная сторона их изобретения заключается в том, что искусственные мышцы приводятся в движение при помощи нагрева, а это требует высоких затрат энергии. Ученые создали углеродные нанотрубки, связали их друг с другом, тем самым формируя мышечное волокно, а затем заполнили пустоты парафином. Чтобы заставить такие мускулы сократиться, ученые их быстро нагревали. Это приводило к тому, что парафин начинал сдавливать углеродные нанотрубки, делая их шире и короче. По мере остывания воска мышечная ткань удлинялась и становилась тоньше. Вы можете подумать, что цикл сокращения/растяжения такой мышцы занимает много времени, однако он занимает всего лишь 25 миллисекунд (25 тысячных доли секунды), и может повторяться в течение длительного времени. Таким образом, эта технология могла бы стать полезной в робототехнике и автоматизации. 
 
Ученые Исследовательской Лаборатории Воздушных Сил смогли создать волокна длиной в километр (0.6 мили) и в будущем рассчитывают превысить этот результат и создать мышечные волокна длиной в несколько миль. 
 
В 2008 году ученый Куибинг Пэй (Калифорнийский Университет, Лос-Анджелес) со своей командой, используя углеродные нанотрубки, создал искусственную мышцу, способную растягиваться в длину в два раза, с КПД в 70% и перспективой дальнейшего усовершенствования. Сравните с КПД примерно в 30-40% у тепловых электрических генераторов. 
 
Последние разработки способны растягиваться десятикратно. Улучшение показателей на 500% за последние 5 лет отражает огромную активность в этой области, и дальнейшие усовершенствования не заставят себя долго ждать. Эту технологию применяют в производстве энергии — энергии волн, течений, ветра, и вышеупомянутых подошв ботинок. 
 
Готовность к повсеместному использованию. 
 
Доктор Эдриан Кох, участник научно-инженерной программы сингапурского национального университета и департамента гражданской и социальной инженерии, с командой из 4 студентов, сделали еще одно открытие в робототехнике: искусственную мышцу, которая не только может поднимать вес, превышающий ее собственный в 80 раз, но и способна это сделать даже будучи растянутой в пять раз. Чтобы этого добиться, доктор Кох и его команда задействовали полимеры, способные растягиваться более чем в 10 раз относительно первоначальной длины. На научном языке это означает, что данная искусственная мышца обладает деформацией смещения в 1000 процентов. 
Ее растяжимость вкупе с гибкостью и эффективностью означают, что она может выполнять широкий спектр операций с большой нагрузкой. 
 
Сравнивая достижения своей команды с современными роботами, доктор Кох говорит: «Наши материалы подражают мышечной ткани человека, быстро реагируют на электрические импульсы, в отличие от медленных гидравлических механизмов. Именно из-за них роботы передвигаются рывками. А теперь представьте себе гибкие искусственные мышцы, реагирующие, как и человеческие, за доли секунды. Роботы, оборудованные такими мышцами, смогут функционировать более «человечно» — и превосходить людей по силе». 
 
«Наши новейшие мускулы не просто сильные и чуткие. Их движения производят побочный продукт — энергию. Расслабляясь и сокращаясь, эти мускулы способны преобразовывать механическую энергию в электрическую. По своей природе этот материал способен хранить большое количество энергии в небольшом объеме. Мы рассчитали, что если построить генератор из этих мягких материалов весом всего лишь 10 килограмм, то он сможет производить столько же энергии, сколько и электрическая турбина весом в тонну» — сказал доктор Кох. 
 
Применение и будущее искусственных мышц. 
 
Очевидно, что отныне мы обладаем эффективной, энергосберегающей технологией автоматизации всего ручного труда. Обстоятельства, препятствующие полному внедрению автоматизации и робототехники, лежат в сфере культуры, экономики и образования, а не технологии. 
 
Как только мы сможем избавиться от неэффективных, устаревших систем и методологий, мы сможем начать менять наш мир с целью избавить его от бедности, войн, дефицита и истощения ресурсов. В ближайшей перспективе возможно создание промышленных роботов с невероятной мощностью и возможностями передвижения, протезов рук и ног, намного превосходящих по характеристикам человеческие конечности, повышающих возможности человека экзоскелетов, генераторов энергии, намного более эффективных, чем современные. 
 
Как связаны между собой генераторы энергии и искусственные мышцы? Представьте себе электромотор. При создании тока мотор вращается, при этом он может делать это с достаточной скоростью и без изнашивания. Подобная технология лежит в основе электромобилей, некоторых монорельсовых поездов, использующих локомотивы для разгона, и целого ряда других технологий, включая робототехнику. Теперь рассмотрим обратную идею: вместо того, чтобы передавать электрический ток для вращения мотора, можно механически заставлять мотор вращаться. Это приведет к обратному эффекту; производству электричества, вместо потребления. Мотор становится генератором. На этом принципе основаны почти все современные электростанции. Что-то вращает турбину, которая в свою очередь вращает генератор. На угольной электростанции турбину вращает пар, а на гидроэлектростанции — вода. 
 
Рассмотренные в данной статье электроактивные полимеры способны либо использовать энергию для движения, либо использовать движение для производства энергии. Ведется строительство пилотного проекта в Японии, в котором используются эти материалы для производства электроэнергии из океанских волн. Кинетическая энергия волн воздействует на полимеры, вырабатывая электричество с КПД в 70%. 
 
Подумайте об открывающихся перспективах. Города в морях могут быть окружены такими генераторами электричества. Системы из гидравлических механизмов, использующие энергию волн для производства электроэнергии, могут быть усовершенствованы или попросту заменены новым поколением электростанций, использующим электроактивные полимеры. Любой берег в мире становится потенциальным источником чистой энергии. 
 
Ссылки: 
 
1. Wikipedia, Artificial Muscle, https://en.wikipedia.org/wiki/Artific...
2. Discovery.com, Artificial Muscle Stronger Than the Real Thing, 
http://www.seeker.com/artificial-muscle-stronger-th...
3. Cnet.com, Self-healing artificial muscle can charge an iPhone, 
http://www.cnet.com/news/self-healing-artificial-...
4. NUS News Portal, NUS Engineering team makes artificial muscles which can lift loads 
80 times its weight, a first in robotics, http://newshub.nus.edu.sg/pressrel/1309/020913.php 
5. https://www.deepdyve.com/search?query...
6. http://www.sri.com/newsroom/press-releases/sri-d..... 

----------------------------------------------— 
Автор: Tom B. 
Перевод: Владимир Радько