Искусственные мышцы – это изобретение в области бионического протезирования, которое представляет собой композиционный материал, подверженный воздействию слабых электрических импульсов.
Состав искусственных мышц
В состав искусственных мышц могут входить:
- нейлоновое волокно;
- полиэтиленовое волокно.
- полиорганосилоксан и эпоксидная смола.
Мышцу прошивают одной или несколькими нитями интерметаллида, который обладает памятью формы. Технический результат создания искусственной мышцы заключается в обеспечении малого времени отклика и возможности достаточно быстрого сокращения под воздействием электрических импульсов плотностью тока до 20 мА/см2. Искусственная мышца исключает возможность бесконтрольного сокращения под воздействием различных факторов окружающей среды, а также обладает свойством самовосстановления.
Отличительные черты искусственных мышц
Отличительными чертами искусственных мышц можно назвать:
- добавление катализатора для работы эпоксидной смолы;
- интерметаллид с памятью формы выбран из группы: Ti-Ni, Zr-Ni, Fe-Mn-Si и добавляется сплав Гейслера;
- мышцу дополнительно прошивают нитями эластомера;
- нейлоновое и полиэтиленовое волокно скручивается по спирали;
- волокна мышц соединены со средой средствами склеивания или высокотемпературного нагрева с последующим охлаждением;
- волокно мышцы могут дополнительно прошивать волокном углеродных нанотрубок и на его поверхность наносят слой их полиметилсилоксана.
Искусственную мышцу можно использовать в медицине как составную часть бионических конечностей или как самостоятельный имплантат в области робототехнике при производстве манипуляторов высокой точности.
Создание искусственных мышц стало прорывом в решении проблемы создания материалов, которые по химическому составу были бы близки к животному мышечному волокну, двигающему тело человека или животного. На сегодняшний день наукой разработано несколько видов искусственных мышц, но на пути внедрения в практику использования каждого возникает колоссальный ряд проблем от стоимости материалов, до ограниченности их использования. Например, известна гидравлическая мышца, которая состоит из первого соединителя с закрытым концом, эластичной резиновой трубки, сплетенных нитей высокопрочного волокна, которые обвиваются вокруг трубки. Также в составе присутствует соединитель с закрытым концом, через который в данную трубку поступает вода, два зажима кольцеобразной формы, которые располагаются в средней мышечной части, два крепежных элемента конусообразной формы, которые обращаются внутрь мышцы.
Гидравлическая мышца и другие типы искусственных мышц, их достоинства и недостатки
Гидравлическая мышца – это искусственная мышца, созданная на основе трубки и высокопрочного волокна с водой, способная к быстрому сокращению.
Такая мышца имеет ограниченную область использования. Ее применяют только в робототехнике, которая основывается на гидравлических системах.
Также на сегодняшний день используется искусственная мышечная ткань, которая представляет собой систему углеродных нанотрубок, пропитанных воском и скрученных по спирали. Эта мышечная ткань способна поднимать вес, который превосходит ее в несколько сотен тысяч раз. Такая мышечная ткань имеет очень высокую стоимость и повышенную чувствительность к различным факторам окружающей среды: перепадам температуры, а также микротокам.
Аналогом подобной искусственной мышцы является нейлоновое волокно или полиэтиленовое волокно, которое закручено по спирали. Его преимущество заключается в способность быстро сокращаться при нагреве и низкой стоимости. Но при этом можно выделить целый ряд недостатков.
Среди них:
- отсутствие способности полноценно сокращаться под воздействием слабых электрических импульсов, например, нервных;
- необходимость применения усилителей и преобразования сигнала в тепловой с использованием источников питания: аккумуляторов, батареек;
- повышенная чувствительность волокон к температуре и высокая степень возможности непроизвольного сокращения;
- необходимость использования теплоизоляторов.
Запоминание собственного положения для всех видов искусственных мышц обусловлено миграцией зерен на границах дефектных зон. Другими словами, металлические дефекты обретают поля напряжений с интенсивными зарядами, которые сближают края трещин и поврежденный материал – интерметаллид успешно регенерируется.
Также в современной науке установлено, что подобным свойством могут обладать некоторые интерметаллиды, в основе которых содержится никель, а второй компонент в чистом виде имеет гексагональную плотно упакованную или кубическую объемно-центрированную решетку. К таким интерметаллидам относятся Ni-Zr и Ni-V.
Интерметаллиды – это химические соединения двух или более металлов, которые имеют фиксированное соотношение между компонентами.
Последний компонент нельзя использовать в медицинских целях, поскольку он обладает высокой степенью токсичности. Но в робототехнике применение такого вещества оправдано при создании манипуляторов.
В последнее время искусственная мышца дополнительно прошивается волокном углеродных нанотрубок, которые сокращаются под действием электрических импульсов, при этом ее прочность не теряется, а мышца имеет хорошую степень восприимчивости к слабому току. Наличие углеродного волокна улучшает прочность и амплитуду сокращения мышцы. Безусловно, стоимость подобных мышц значительно выше.
В случае, когда необходимо менять не полноценное мышечное волокно, а только один участок мышцы ее аналог склеивается с поврежденной мышцей, но увеличивается степень ее отторжения. Во время имплантации предложенные выше формы искусственных мышц рекомендуют склеивать с костной тканью.
Создание искусственных мышц стало прорывом в области бионического протезирования и существенным шагом к компенсации утраченных двигательных функций организмом, создания для человека условий оптимальной жизнедеятельности.
