Исследователи уже давно плотно заняты разработкой искусственных мышц, которые смогут не только «оживить» роботов и заставить их выполнять сложнейшие движения, но и станут важным аспектом поддержки людей, получивших травму или инвалидность. В перспективе такая мускулатура может стать основой для создания протезов будущего.
Однако воссоздать сложную структуру живой мышцы — непростая задача. Искусственные мышцы должны быть не только сильными, но и гибкими, мягкими и способными реагировать на электрические сигналы. По своей сути, живая мышечная клетка это своеобразный актуатор — устройство, которое преобразуют электрические импульсы в движение. Актуаторы давно применяются в промышленности, автомобилестроении и бытовой технике, но большинство из них представляют собой жесткие механические детали, мало похожие на естественные мышцы.
Ученые из лаборатории функциональных полимеров Empa сумели максимально приблизиться к созданию ткани, похожей на живые мускулы. Они разработали метод 3D-печати, который позволяет создавать диэлектрические эластичные актуаторы (DEA). Эти структуры состоят из двух силиконовых материалов: один проводит электричество и играет роль электрода, а второй является диэлектриком. В процессе печати они накладываются друг на друга и переплетаются. Когда к электродам подается напряжение, искусственная мышца сокращается, а при отключении — расслабляется, подобно настоящей мышечной ткани.
Создать такой материал с помощью 3D-печати было нелегко. Оба компонента обладают разными электрическими свойствами, но при печати они должны вести себя одинаково, не смешиваясь и сохраняя прочность в готовой структуре. Искусственные мышцы должны быть мягкими, чтобы электрический импульс мог легко вызывать их сокращение, но при этом достаточно вязкими, чтобы сохранять форму после выхода из принтера. Эти требования часто противоречат друг другу: если оптимизировать один параметр, другой может ухудшиться.
Совместно с исследователями из ETH Zurich, команда Empa под руководством Дорины Оприс, сумела объединить противоречивые свойства материалов. Два специально разработанных силиконовых состава печатаются с использованием специальной насадки, созданной в ETH. Этот проект стал частью более крупной инициативы Manufhaptics, направленной на создание сенсорных перчаток для виртуальной реальности. Искусственные мышцы должны создавать эффект сопротивления в таких перчатках, имитируя хватание предметов в виртуальном пространстве.
Однако применение мягких актуаторов не ограничивается VR-технологиями. Эти легкие и бесшумные устройства могут принимать любую форму благодаря 3D-печати. Поэтому их можно использовать в автомобилях, промышленном оборудовании и роботах. В перспективе, при дальнейшем развитии технологии, искусственные мышцы могут найти применение в медицине, например, для создания имплантатов или протезов.
Дорина Оприс и ее коллега Патрик Даннер уже работают над усовершенствованием технологии. Разработанный ими метод уже позволяет создавать длинные эластичные волокна, которые по структуре напоминают настоящие мышечные нити. Ученые полагают, что если удастся сделать такие нити еще тоньше, они смогут приблизиться к естественным мышечным волокнам человека. Если эксперименты в этом направлении увенчаются успехом, когда-то на основе этой технологии можно будет создать даже полностью функциональное искусственное сердце, полностью повторяющее живой орган.
Ранее мы рассказывали о еще одной очень необычной разработке: биогибридной руке с человеческими мышцами.
