Мягкие искусственные мышцы давно считаются одной из самых перспективных технологий для робототехники, медицины и носимой электроники. Они умеют изгибаться, растягиваться и скручиваться так, как не под силу классическим электромоторам. Но у этой гибкости есть обратная сторона: такие приводы слишком слабы. Их «молекулярная мягкость» не позволяет развивать заметное усилие, а значит — ограничивает применение вне лаборатории. Можно ли совместить силу и подвижность в одном материале?
Инженеры часто описывают проблему через параметр удельной работы (work density) — это количество механической энергии, которую привод может выдать на единицу объёма. Измеряется он в килоджоулях на кубический метр и, по сути, показывает, насколько сильно материал способен тянуть, толкать или поднимать относительно своих размеров.
Здесь и кроется классический компромисс. Мягкие полимеры легко растягиваются, но почти не создают усилия. Жёсткие материалы, наоборот, могут быть сильными, но практически не деформируются. На протяжении многих лет все ключевые технологии искусственных мышц упирались в эту стену:
- диэлектрические эластомеры сильно растягиваются, но требуют высоких напряжений и остаются «слабыми»;
- нити из углеродных нанотрубок лёгкие, но поднимают небольшой вес;
- жидкокристаллические эластомеры двигаются красиво, но выдают скромную энергию;
- даже природная мышца сочетает лишь умеренную деформацию с невысокой удельной работой.
Двойная сшивка
Исследователи из Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST, Южная Корея) предложили решение, которое выбивается из этого ряда. Их магнитный полимерный актуатор с двойной сшивкой показал удельную работу около 1150 кДж/м³ при деформации 86,4% — показатели, которые ранее считались несовместимыми для мягких материалов.
Секрет — в молекулярной архитектуре. Внутри полимера работают сразу два типа связей, удерживающих сеть материала. Благодаря этому один и тот же образец может вести себя и как мягкая резина, и как жёсткий пластик. В «мягком» режиме он растягивается более чем в 12 раз от исходной длины, а при необходимости его жёсткость может вырасти более чем в тысячу раз.
Материал умеет переключаться между двумя режимами работы. При нагреве выше примерно 37 °C (99 °F) полимер размягчается, и внешнее магнитное поле может изгибать, растягивать или скручивать его. Стоит отключить поле — и он возвращается в исходное состояние.
Если же охладить его ниже 27 °C (80 °F), структура «фиксируется»: новая форма сохраняется, а энергия запасается внутри материала. Повторный нагрев высвобождает эту энергию — актуатор сокращается и выполняет полезную работу. По сути, это мягкая мышца, способная не только двигаться, но и накапливать усилие по команде.
Характеристики и реальные испытания
Оптимальный состав включал около 11 граммов магнитных частиц и минимальное количество сшивающего агента. В такой конфигурации актуатор:
- достигал деформации 86,4%;
- демонстрировал рекордную удельную работу — около 33 000 фут-фунтов на кубический фут;
- восстанавливал почти 100% формы;
- сохранял более 87% характеристик после 300 циклов;
- удерживал нагрузку, превышающую собственный вес более чем в 4000 раз.
Мощность доходила до 0,54 л.с. на тонну, что выводит материал в один ряд с лучшими современными искусственными мышцами.
В робототехнических тестах актуатор в мягком состоянии мог магнитно захватывать предметы, а затем, при локальном нагреве лазером, сокращаться и поднимать грузы массой от 2,7 до 4,1 унции. При этом степень восстановления формы составляла 39–52%. Для сравнения: гидрогели могут растягиваться на 40–65%, но их удельная работа редко превышает 11 800 фут-фунтов на кубический фут — заметно меньше нового рекорда.
Новый полимер впервые вывел мягкие искусственные мышцы в область характеристик, которая ранее считалась недостижимой. Это открывает дорогу к роботам, способным работать в тесных пространствах, носимым системам, движущимся «по-человечески», и хирургическим инструментам, которые достаточно мягки для живых тканей, но при этом достаточно сильны, чтобы выполнять реальную работу.
Компромисс между силой и гибкостью долгое время считался неизбежным. Разработка южнокорейских исследователей показывает, что дело не в принципиальных ограничениях, а в правильной молекулярной инженерии. Возможно, именно такие «умные» полимеры станут основой следующего поколения машин — мягких на ощупь, но совсем не слабых.
