Накладные мышцы своими руками

Сделай сам: синтетические мышцы из лески и нитки

Как 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.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science (Haines et al., Artificial Muscles from Fishing Line and Sewing Thread).

Подготовлено по материалам Техасского университета в Далласе: Researchers Create Powerful Muscles From Fishing Line, Thread.

Источник

Искусственные мышцы своими руками: изготовление и особенности

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 человекообразным роботам недавно сделали изобретатели из Национального университета Сингапура. 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 углеродные нанотрубки 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.

Вдохновение из «Сколково»

Вернуться к почти заброшенным опытам Александра Семочкина заставил случай — ученый попал на роботехническую конференцию в «Сколково», где познакомился с единомышленником из Зеленограда, руководителем компании «Нейроботикс». Как оказалось, инженеры этой фирмы тоже заняты созданием мышц из лесок, которые вполне себе жизнеспособны.

Вернувшись на родину, Александр Николаевич с новыми силами принялся за работу. За полтора месяца он смог не только собрать работоспособные искусственные мышцы, но и создать машину для их скручивания, которая делала витки лески строго повторяемыми.

Благовещенская искусственная мускулатура

Чтобы создать пятисантиметровую мышцу, А. Н. Семочкину нужно несколько метров проволоки и 20 см обычной рыболовной лески. Аппарат по «производству» мускулатуры, кстати, напечатанный на 3D-принтере, скручивает мышцу в течение 10 минут. Затем конструкцию на полчаса помещают в печь, раскаленную до +180 градусов по Цельсию.

Привести в действие такую мышцу можно при помощи электротока — достаточно подсоединить его источник к проволоке. В результате она начинает нагреваться и передавать свое тепло леске. Последняя вытягивается или сокращается — в зависимости от вида мышцы, которую скрутил аппарат.

Планы изобретателя

Новый проект Александра Семочкина — «научить» созданные мышцы быстрее возвращаться в исходное состояние. Этому может помочь быстрое охлаждение питающей проволоки — ученый предполагает, что такой процесс будет быстрее происходить под водой. После того как подобная мышца будет получена, первым ее обладателем станет Искандерус — антропоморфный робот БГПУ.

Ученый не держит свое изобретение в тайне — выкладывает ролики на «Ютуб», а также планирует написать статью с подробной инструкцией по созданию машинки, скручивающей мышцы из лески и проволоки.

Время не стоит на месте — искусственные мышцы, о которых мы вам рассказали, уже применяются в хирургии для проведения эндо- и лапароскопических операций. А в лаборатории «Дисней» с их участием собрали функционирующую руку.

Источник

Сайт про изобретения своими руками

МозгоЧины

Сайт про изобретения своими руками

Роботизированная рука своими руками

Роботизированная рука своими руками

Используя искусственные мышцы можно сделать гибкую роботизированную руку.

Этот мягкий робот работает на сжатом воздухе, а каждая из 11 мышц управляется с помощью инфракрасного универсального пульта дистанционного управления подключённого к микроконтроллеру.

Большинство элементов поделки выполнено из силикона.

Шаг 1: Как это работает

Искусственные мышцы сделаны из смеси силиконового герметика и кукурузного крахмала. Движение робота осуществляется путем расширения/сжатия воздушных камер.

Инфракрасный пульт может управлять отдельными мышцами в программированной последовательности. Он делает это путём передачи сигналов к контроллеру мышц, который управляется с помощью «нервных» окончаний робота. Контроллер управляет мышцами с электромагнитными клапанами и воздушным компрессором.

Шаг 2: Материалы

• Полиэтиленовый пакет;
• Кукурузный крахмал;
• Медицинские перчатки;
• Силиконовый герметик;
• Лист пластика толщиной 0,15 см;
• 0,15 см и 0,31 см силиконовые шланги и переходники;

Контроллер воздуха:

• 12 В блок питания;
• Силиконовые трубки и переходники;
• Воздушный компрессор и т.д.

Нервные окончания робота:

• Микроконтроллеры;
• Резисторы, диоды, провода, и т.д.

Шаг 3: Создаем искусственные мышцы

На первой фотографии представлены 11 сегментов руки. Силиконовая трубка переходит в воздушную камеру, которая составляет одну мышцу. Было создано четыре мышцы, которые могут уравновешивать друг друга, чтобы перемещать руку в четырёх направлениях. Позже они приклеятся к пластиковой опорной пластине, которая будет крепиться болтами к основе.

На второй фотографии представлено два сегмента верхний и нижний. Сегменты отлиты в два слоя с тонким листом полиэтилена, который и создает воздушную камеру, и будет заполняться воздухом. Через отверстие в середине каждой мышечной камеры воздух будет попадать в систему, после того, как вся конструкция будет сложена и склеена.

На третьем фото показаны сегменты плеча и предплечья сложенные и склеенные с воздушными трубками.

Шаг 4: Отливаем воздушные камеры

Силикон смешиваем с крахмалом в пропорции 2:1. Смесь быстро застывает, поэтому лучше смешивать небольшими партиями. Рекомендую смешивать 2 столовые ложки силикона и 1 столовую ложку кукурузного крахмала. Добавим немного масляной краски для окрашивания мышц. При работе соблюдайте технику безопасности.

На втором фото показан вид формы для отливки, которую сделаем из двух кусков пластика. Две части заготовок имеют 4 болта, удерживающие их в фанерном основании.

Выкладываем смесь в форму. После чего разглаживаем и выравниваем поверхность с помощью металлической линейки. Форму заполняем аккуратно, чтобы избежать возникновения пузырей.

Возьмём полиэтилен, который будет использоваться в качестве мембраны для создания воздушной камеры для каждого сегмента мышц.

На 5 фотографии показан окончательный вид одного сегмента мышц.

После того, как сегмент создан. Удалим его из формы и просверлим отверстия в середине каждой камеры, созданной из полиэтилена. Вырежем квадрат в центре. Это позволит создать пространство для размещения силиконовых трубок. Сегменты склеиваются в единый стек. С помощью смеси сделаем шайбы вокруг отверстий. Приклеим их с помощью клея.

Шаг 5: Создаем мягкие клещи робота

Первые два фото демонстрируют захват клещей в закрытом и открытом виде.

Для изготовления зажимов сделаем форму для отливки. Предварительно разместим в ней кусок пластика для придания жёсткости.

На последнем фото показан низ и верх сегментов клещей, которые были изготовлены по принципу воздушных камер плеча и предплечья.

Клещи крепятся к пластиковой пластине, которая приклеивается к предплечью.

Шаг 6: Контроллер мышц

Привод контроллера робота состоит из 14 электромагнитных клапанов, которые могут управлять мышцами. Гибкие силиконовые трубки хорошо склеиваются герметиком.

Источник