Технологии изготовления искусственных мышц

Свойства искусственных мышц и основные технологии их изготовления

В медицине искусственная мышца может применяться в качестве составной части бионических конечностей или самостоятельного имплантата, а также при производстве высокоточных манипуляторов в робототехнике.

Одной из основных задач производства искусственной мышцы является поиск и создание материалов, которые были бы близки по своим механическим свойствам и химическому сродству к живому мышечному волокну, обеспечивающему осуществление движений в человеческом или животном теле.

Техническими целями при создании искусственной мышцы являются:

• обеспечение малого времени отклика;
• обеспечение быстрого сокращения при действии электрических импульсов, в том числе с плотностью тока менее 20 мА/см2;
• исключение вероятности бесконтрольного сокращения под воздействием температуры внешней среды;
• придание искусственной мышце свойств самовосстановления.

Искусственные мышцы содержат полиэтиленовое и/или нейлоновое волокно и являются средой, содержащей как минимум один элемент каждой из следующих групп: полиорганосилоксан, эпоксидная смола, катализатор полимеризации эпоксидных смол. К тому же мышцы прошиваются одной или несколькими нитями как минимум одного интерметаллида, обладающего памятью формы, и полиэтиленовым и/или нейлоновым волокном.

Основные технологии изготовления искусственной мышцы:

1. Искусственные мышцы, в изготовлении которых был использован интерметаллид, обладающий памятью формы, из группы: $Fe-Mn-Si, Ti-Ni, Zr-Ni$ и сплав Гейслера.
2. Искусственные мышцы, дополнительно прошитые нитями эластомера.
3. Искусственные мышцы, в которых полиэтиленовое и/или нейлоновое волокно скручивается по спирали.
4. Искусственные мышцы, в которых одна или несколько нитей как минимум одного интерметаллида, обладающего памятью формы, скручиваются по спирали.
5. Искусственные мышцы, в которых одна или несколько нитей как минимум одного интерметаллида, обладающего памятью формы, скручиваются с полиэтиленовым и/или нейлоновым волокном друг вокруг друга по спирали.
6. Искусственные мышцы, в которых одна или несколько нитей как минимум одного интерметаллида, обладающего памятью формы, и полиэтиленовое и/или нейлоновое волокно соединяются со средой, состоящей как минимум из одного полиорганосилоксана, путем высокотемпературного нагрева с дальнейшим охлаждением или склеивания.
7. Искусственные мышцы, в которых как катализатор полимеризации эпоксидных смол используется катализатор Граббса.
8. Искусственные мышцы, дополнительно прошитые волокнами углеродных нанотрубок.
9. Искусственные мышцы, на поверхность которых наносится слой из полиметилсилоксана.
10. Искусственные мышцы, имеющие следующее массовое содержание компонентов: минимум одна эпоксидная смола (3-12%); минимум один катализатор полимеризации эпоксидных смол (0,01-7%); нити эластомера (8-21%); одна или несколько нитей минимум одного интерметаллида, обладающего памятью формы (9-17%); полиэтиленовое и/или нейлоновое волокно (12-23%); остальная часть - полиорганосилоксан.

Свойства материалов, используемых для изготовления искусственной мышцы

Основные материалы, использующиеся при изготовлении искусственной мышцы, и их роль в функционировании изобретения:

1. Полиэтиленовое или нейлоновое волокно, скрученное по спирали, наиболее близко по свойствам к заявленной искусственной мышце. Его основные преимущества: способность к быстрому сокращению при нагревах и низкая стоимость. Недостаток - отсутствие способности полноценно сокращаться при воздействии слабых электрических импульсов, подобных нервным. Поэтому необходимо применять усилители сигналов и преобразователи их из электрической в тепловую форму, для чего, в свою очередь, требуется источник питания (батарейки, аккумуляторы). Другой недостаток заключается в повышенной чувствительности волокна к температуре внешней среды, в результате чего мышца может непроизвольно сократиться, что, соответственно, приведет к незапланированному движению искусственной конечности. Поэтому необходимо использовать теплоизоляторы. В целом такие недостатки, несмотря на низкую цену материала, лишь усложняют конструкцию и себестоимость протеза и создают некоторые неудобства в его использовании.
2. В целях увеличения амплитуды сокращения искусственных мышц при действии электрических импульсов полиэтиленовое и/или волокно нейлоновое может быть скручено по спирали.
3. Интерметаллиды, обладающие памятью формы. Интерметаллиды из группы $Fe-Mn-Si$ являются наиболее дешевыми, $Ti-Ni$ - наиболее распространенными и изученными, $Zr-Ni$ обладают высокой ответной реакцией на электрические импульсы.
4. В целях усиления реакции мышцы на электрический импульс, а также для придания точности движениям, одна или несколько нитей как минимум одного интерметаллида, обладающего памятью формы, могут быть скручены по спирали.
5. В целях дополнительного ускорения сокращения искусственных мышц, а также для достижения более плавного начала и конца их сокращения при действии электрических импульсов и снижения внутреннего трения, одна или несколько нитей как минимум одного интерметаллида могут быть скручены с полиэтиленовым и/или нейлоновым волокном друг вокруг друга по спирали.
6. Для придания мышцам дополнительной прочности, а также более прямолинейных и сглаженных движений, они дополнительно могут быть прошиты нитями эластомера.
7. В целях повышения сцепления одна или несколько нитей как минимум одного интерметаллида и полиэтиленовое и/или нейлоновое волокно могут соединяться со средой, состоящей из как минимум одного полиорганосилоксана, путем высокотемпературного нагрева с дальнейшим охлаждением или склеивания.
8. Катализатор Граббса является наиболее распространенным и доступным катализатором полимеризации эпоксидных смол.
9. В целях придания дополнительной прочности, ускорения сокращения и повышения восприимчивости к слабым импульсам искусственные мышцы могут дополнительно прошиваться волокнами углеродных нанотрубок.
10. Если соприкасаются несколько искусственных мышц, в целях уменьшения между ними трения на их поверхность может быть нанесен слой полиметилсилоксана.
11. Полиорганосиликаны являются наиболее долговечными и безвредными материалами, характеризуются очень низкой температурой стеклования (примерно130°C), могут копировать и сохранять изначальный внешний вид. К тому же, они близки к натуральным мышцам по консистенции.
12. Искусственные мышцы, имеющие следующее массовое содержание компонентов: минимум одна эпоксидная смола (3-12%), минимум один катализатор полимеризации эпоксидных смол (0,01-7%), нити эластомера (8-21%), одна или несколько нитей минимум одного интерметаллида, обладающего памятью формы (9-17%), полиэтиленовое и/или нейлоновое волокно (12-23%), остальная часть – полиорганосилоксан, - характеризуются сравнительно низкой стоимостью, сохраняют высокую прочность и скорость реагирования.