«Синтетические мускулы, которые мы разработали, способны производить мощные и сверхбыстрые сокращения. Это позволяет им поднимать в 200 раз больше массы, чем естественные мускульные волокна аналогичных размеров. И хотя мы все с оптимизмом смотрим на ближайшие перспективы их применения на практике, эти мускулы пока нельзя использовать для прямой замены мышц в человеческом теле», — заявил руководитель группы ученых Рэй Бакмэн (Ray Baughman) из университета штата Техас в Далласе (США).
Бакмэн и его коллеги совершили это открытие, изучая свойства одного из самых популярных материалов для создания искусственных мускулов — углеродных трубок.
Как правило, нанотрубки используются в таких устройствах не по отдельности, а в виде спиралевидных связок или других сложных пространственных конфигураций. В большинстве случаев эти конструкции заполняются рабочим телом — водой или другими веществами, способными расширяться при приложении тепла или электричества. При расширении объема рабочего тела мускулы сокращаются, имитируя работу их живых аналогов.
Авторы статьи перебрали несколько вариантов наполнителей «пряжи» из нанотрубок, пока не остановились на синтетическом воске из парафина. По словам ученых, данный материал обладает несколькими достоинствами — он хорошо расширяется при нагреве, химически инертен и не распадается при высоких температурах.
Физики изготовили несколько связок мускулов из туго сплетенных нанотрубок, заполнили их воском и испытали в деле. Для этого ученые прикрепили к мускульному волокну микро-гирю и стали периодически нагревать его при помощи лазера.
Результаты эксперимента поразили Бакмэна и его коллег — их мускульное волокно совершало свыше 1,2 тысячи сокращений в минуту и поднимало гирю, масса которой превышало его собственную в 100 тысяч раз. Скорость работы мускула можно увеличить в 10 раз, если он будет не сокращаться, а вращаться как ротор электродвигателя. Свойства «мускула» не ухудшились за 2 миллиона непрерывных сокращений и сжатий, что позволяет использовать эту технологию в промышленных целях.
По словам ученых, восковые «мускулы» оказались чрезвычайно эффективными с точки зрения энергопотребления — они примерно в четыре раза эффективнее двигателей внутреннего сгорания и выступают наравне с мощными электрическими моторами. Это открывает дорогу к широкому промышленному применению устройств на базе искусственных мускулов.
«Впечатляющие способности нашей “пряжи”, как и возможность изготавливать волокна длиной в километр, позволяют нам говорить о возможности быстрой коммерциализации этой технологии в виде микродвигателей из сантиметровых “мускулов”. С другой стороны, задача значительно усложняется, если думать об изготовлении больших двигателей, в которых тысячи индивидуальных волокон будут работать параллельно», — заключает Бакмэн.