Ученые из Сингапурского университета технологии и дизайна (SUTD) сумели создать сильные искусственные мышцы и получить электричество, вдохновившись первым полетом бабочки.
Это может звучать странно и поэтично, но у открытия есть вполне научное объяснение.
Феномен крыльев бабочки
Крылья бабочки сделаны из хитина, органического полимера, который является основным компонентом раковин членистоногих, панцирей ракообразных и других насекомых. Когда бабочка выходит из кокона на завершающей стадии метаморфозы, она медленно разворачивает свои крылья в их полную величину.
Во время развертывания хитиновый материал дегидратируется и сушится, в то время как кровь прокачивается через вены бабочки, создавая силы, которые реорганизуют молекулы материала, чтобы обеспечить ему уникальную прочность и жесткость, необходимые для полета. Это уникальное, но вполне естественное сочетание сил, движения воды и молекулярной организации и послужило вдохновением для новой разработки.
Сила захвата и электричество
В своей работе исследователи изучили молекулярные изменения хитиновых материалов в ответ на изменения окружающей среды.
«Мы продемонстрировали, что даже после извлечения из природных источников хитиновые полимеры сохраняют свою естественную способность связывать различные силы, молекулярную организацию и содержание воды для создания механического движения и производства электроэнергии без необходимости во внешнем источнике питания или системе управления», - сказал профессор Хавьер Фернанде, автор исследования.
Исследователи получали хитиновые полимеры из панцирей креветок для создания пленки толщиной около 130,5 мкм. Затем они смогли наблюдать, что, подобно разворачивающимся крыльям бабочки, растяжение это пленки перестроило ее кристаллическую структуру в материал, способный автономно расслабляться и сжиматься. Это позволило ему поднимать предметы весом более 4,5 килограмма.
Затем исследовательская группа использовала эту новую пленку в механической руке, которую можно было контролировать с помощью изменений окружающей среды и биохимических процессов. Пленка выполняла функции искусственных мускулов. В результате получился роботизированный манипулятор с силой захвата, эквивалентной 18 килограммам. Это более половины среднестатистической силы захвата взрослого человека.
Во второй демонстрации ученые показали, что реакция материала на изменения влажности может быть использована для сбора энергии из окружающей среды и преобразования ее в электроэнергию.
«Хитин используется для многих сложных функций в природе, от изготовления крыльев насекомых до формирования жёстких защитных оболочек моллюсков. Он имеет прямое инженерное применение. Наша способность понимать и использовать хитин в его родной форме имеет решающее значение для создания новых инженерных приложений и разработки их в рамках парадигмы экологической интеграции и низкого энергопотребления», - говорит профессор Фернандес.
Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials Technologies.
