Исследователи с помощью 3D-печати работают над созданием искусственных мышц, которые не уступают настоящим

Исследователи из Empa работают над созданием искусственных мышц, которые не уступают настоящим. Теперь они разработали метод создания мягких и эластичных, но при этом мощных структур с помощью 3D-печати. Однажды их можно будет использовать в медицине или робототехнике — и везде, где нужно, чтобы что-то двигалось одним нажатием кнопки.

Работа опубликована в журнале «Передовые технологии материалов».

Искусственные мышцы не только заставляют роботов двигаться: однажды они смогут помогать людям на работе или при ходьбе, а также заменять повреждённые мышечные ткани. Однако разработка искусственных мышц, которые могли бы сравниться с настоящими, является серьёзной технической задачей.

Чтобы не отставать от своих биологических аналогов, искусственные мышцы должны быть не только мощными, но и эластичными и мягкими. По сути, искусственные мышцы — это так называемые приводы: компоненты, которые преобразуют электрические импульсы в движение. Приводы используются везде, где что-то приводится в движение нажатием кнопки, будь то дома, в двигателе автомобиля или на высокотехнологичных промышленных предприятиях. Однако эти жёсткие механические компоненты пока не имеют ничего общего с мышцами.

Примирение противоречий

Группа исследователей из Лаборатории функциональных полимеров Empa работает над приводами, изготовленными из мягких материалов. Теперь они впервые разработали метод производства таких сложных компонентов с помощью 3D-принтера.

Диэлектрические эластичные приводы (DEA) состоят из двух разных материалов на основе силикона: проводящего электродного материала и непроводящего диэлектрика. Эти материалы соединяются слоями.

«Это немного похоже на переплетение пальцев, — объясняет исследователь Empa Патрик Даннер. – Если на электроды подаётся электрическое напряжение, привод сокращается, как мышца. Когда напряжение отключается, он возвращается в исходное положение».

3D-печать такой структуры — непростая задача, как известно Даннеру. Несмотря на очень разные электрические свойства, два мягких материала должны вести себя очень похоже во время процесса печати. Они не должны смешиваться, но при этом должны оставаться вместе в готовом приводе.

Напечатанные «мышцы» должны быть как можно более мягкими, чтобы электрический импульс мог вызвать необходимую деформацию. Кроме того, все материалы для 3D-печати должны соответствовать следующим требованиям: они должны разжижаться под давлением, чтобы их можно было выдавливать из сопла принтера. Однако сразу после этого они должны быть достаточно вязкими, чтобы сохранять напечатанную форму.

«Эти свойства часто находятся в прямом противоречии друг с другом, — говорит Даннер. — Если вы оптимизируете одно из них, три других изменятся… обычно в худшую сторону».

От виртуальной перчатки до бьющегося сердца

В сотрудничестве с исследователями из Швейцарской высшей технической школы Цюриха Даннер и Дорина Оприс, возглавляющие исследовательскую группу «Функциональные полимерные материалы», смогли объединить многие из этих противоречивых свойств. Две специальные краски, разработанные в Empa, наносятся на функционирующие мягкие приводы с помощью сопла, разработанного исследователями из Швейцарской высшей технической школы Тацио Плейем и Яном Вермантом.

Это сотрудничество является частью крупномасштабного проекта Manufhaptics, который входит в стратегическую область ETH Domain «Передовое производство». Цель проекта — разработать перчатку, которая сделает виртуальные миры осязаемыми. Искусственные мышцы предназначены для имитации захвата предметов за счёт сопротивления.

Однако у мягких приводов гораздо больше потенциальных сфер применения. Они лёгкие, бесшумные и, благодаря новому процессу 3D-печати, могут принимать любую форму. Они могут заменить обычные приводы в автомобилях, механизмах и робототехнике. Если их усовершенствовать, они также могут использоваться в медицине. Оприс и Даннер уже работают над этим. Их новый процесс можно использовать для печати не только сложных форм, но и длинных эластичных волокон.

«Если нам удастся сделать их чуть тоньше, мы сможем приблизиться к тому, как работают настоящие мышечные волокна», — говорит Оприс.

Исследователь считает, что в будущем из этих волокон можно будет напечатать целое сердце. Однако предстоит ещё многое сделать, прежде чем эта мечта станет реальностью.

Источник: Tech Xplore