Искусственные мускулы

                  1. Что такое искусственные мускулы?

      Искусственными  мускулами принято называть материалы, способные преобразовывать различные  виды энергии – электрическую, химическую, термическую и другие в механическую энергию и совершать полезную работу. Помимо этого, такие материалы должны быть прочны и способны развивать значительное усилие.

      Инженеры, занимающиеся созданием механических приводов, давно пытаются найти искусственный  эквивалент живым мышцам, которые  в ответ на нервный импульс  сокращаются с силой, достаточной, чтобы опустить веко или поднять  штангу. Благодаря масштабной инвариантности они одинаково эффективны при  любых размерах – одна и та же мышечная ткань приводит в движение и насекомое, и слона. Материал с  похожими свойствами был бы незаменим  в устройствах, для которых трудно изготовить миниатюрные электромоторы. Надежды на создание искусственных мышц связаны с электроактивными полимерами (ЭАП). Ученые давно стремились разработать материалы, способные расширяться и сжиматься под действием электрического поля. Они могут использоваться в новых механических приводах, которые со временем вытеснят обычные электромоторы. Электроактивные полимерные материалы нового поколения весьма чувствительны к электрическом возбуждению и подходят для использования в двигателях, сенсорах и источниках электропитания. Изделия из «искусственных мышц» начинают появляться на рынке.

      Несколько лет назад Йозеф Бар-Коэн (Yoseph Bar-Cohen), старший научный сотрудник  Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory – JPL) в Пасадине, штат Калифорния, бросил вызов сообществу разработчиков электроактивных полимеров и учредил денежную премию для исследовательской группы, которая сможет изготовить из ЭАП искусственную руку, способную победить человека в матче по арм-реслингу. Наибольшие успехи достигнуты в некоммерческой лаборатории SRI International в Менло-Парк, штат Калифорния. Руководство SRI надеется в течение ближайших месяцев создать дочернюю фирму Artificial Muscle Incorporated для продвижения на рынок запатентованных ЭАП-технологий. Компания уже заключила несколько научно производственных контрактов с правительством США и крупнейшими производителями игрушек, автомобилей, электроники, медицинской аппаратуры и обуви, заинтересованными в замене дорогих микроэлектродвигателей на дешевые и легкие искусственные мышцы.

      Создать искусственные мускулы пытаются давно, и для решения этой задачи просматривались несколько путей. Можно, например, использовать пьезоэффект: изменение размеров кристалла или  керамики при наложении электрического напряжения. Можно "играть" на способности  слоистых веществ расширяться в  направлении, перпендикулярном плоскости  слоев, при внедрении между слоями химикатов. Но эти пути либо сложны, либо малоэффективны. 

                        2. Подвижные материалы

      С середины 90-х гг. Бар-Коэн неофициально координирует разношерстное международное  сообщество разработчиков ЭАП. Добившись  финансирования NASA, он занялся поиском тех, кто достиг успехов на этом поприще. Вскоре Бар-Коэн организовал первую научную конференцию по проблеме ЭАП, учредил информационный бюллетень, открыл веб-сайт и издал две книги по вопросам зарождающейся технологии. До появления ЭАП у микроэлектродвигателей была всего одна альтернатива – использование пьезокерамики. Если подать электрическое напряжение на пьезокристалл, то он деформируется; если его деформировать, он наэлектризуется. Вместе с коллегами из JPL и Cybersonics Бар-Коэн занимается изготовлением пьезокерамических дисков цирконат-титаната свинца, которые под действием электрического напряжения сжимаются или расширяются на доли процента. Переменное напряжение ультразвуковой частоты заставляет набор таких дисков раскачивать массивный ударник вибродрели, без труда вгрызающейся в твердые каменные блоки. Изрешеченные гранитные плиты –впечатляющая демонстрация работы пьезокерамического привода. Но во многих случаях инженерам требуются электроактивные материалы, линейные размеры которых могут изменяться на десятки и даже сотни процентов. 
 
 
 
 

                        2.1 Реагирующие пластики

      Полимеры, изменяющие форму под действием  электрического поля, можно разделить  на две группы: ионные и электронные. И у тех и у других свои преимущества и недостатки. Ионные электроактивные  полимеры включают в себя ионные полимерные гели, иономерные полимер-металлические  композиты, проводящие полимеры и углеродные нанотрубки. Их действие основано на электрохимии – движении или диффузии заряженных ионов. Они работают от обычной батареи, поскольку даже небольшое напряжение приводит к значительной деформации. К сожалению, такие материалы  должны быть постоянно влажными, и  их приходится заключать в гибкую герметичную оболочку. Есть и другой существенный недостаток: материал движется все время, пока через него течет  ток. Если напряжение превышает определенный уровень, начинается электролиз, необратимо повреждающий материал. Электронные  ЭАП, такие как ферро-электрические  полимеры и электрострикционные  привитые эластомеры, приводятся в  действие электрическим полем высокого напряжения, что связано с определенной опасностью. Однако материалы этой группы отличаются высоким быстродействием  и значительными механическими  усилиями. Им не требуется защита поверхности, а в фиксированном положении  они почти не потребляют энергии. Полимеры для искусствен-

ных мускулов, разрабатываемые в SRI, относятся к электронным ЭАП. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                        2.2 Электризуемая резина

      SRI International начала работу над созданием искусственных мышц в 1992 г. Изучив материалы, близкие по характеристикам к мышечной ткани, исследователи остановились на электрострик-ционньгх полимерах. Углеводородные молекулы образуют в них полукристаллические структуры, обладающие пьезоэлектрическими свойствами.

Все изолирующие пластики, такие как  полиуретан, под действием электрического поля сжимаются вдоль силовых линий и расширяются перпендикулярно им. Это явление носит название максвелловской деформации. Оно известно давно, но обычно рассматривалось как побочный эффект.

      Полимеры  более мягкие, чем полиуретан, сильнее деформируются под действием электростатического поля. Испытывая мягкие силиконы, ученые из SRI вскоре достигли вполне удовлетворительных значений удельного смещения - от 20% до 30%. Новые материалы - силиконы и другие мягкие пластики - были названы эластомерами (иногда их называют полимерами, активируемыми электрическим полем).

Выбрав  ряд перспективных материалов, исследовательская группа занялась разработкой конкретных устройств. Серьезную финансовую поддержку оказали Управление перспективных исследований и разработок министерства обороны США (DARPA) и Управление военно-морских исследований, заинтересованные в применении новой технологии в военных целях, например, для создания разведывательных роботов и легких электрогенераторов.

      Для ЭАП с большим коэффициентом деформации необходимо было создать растяжимые электроды. Конструкторы решили внедрить частицы углерода в матрицу из эластомера, которая легко растягивается вместе с пластиком и обеспечивает распределение электрического поля по всей рабочей поверхности.

      В лаборатории компании продемонстрировали рамку 15х15 см, туго обтянутую пластиковой оберткой для пищевых продуктов, рулон которой можно купить повсюду. Стоит нажать кнопку на источнике питания, и электроды, расположенные по обе стороны пленки, увеличиваются в диаметре с 2 до 4 см. После выключения питания диски мгновенно возвращаются в прежнее состояние. Устройство представляет собой конденсатор - две заряженные параллельные пластины с прокладкой из диэлектрика. При подаче напряжения положительные и отрицательные заряды собираются на противоположных электродах, притягивают их друг к другу и сжимают полимерный изолятор, площадь которого увеличивается.

      Несмотря  на то что был разработан целый  ряд перспективных материалов, создание полезных устройств на их основе потребовало значительных усилий. Однако два достижения 1999 г. вызвали большой интерес государственных и частных заказчиков.

Во-первых, было замечено, что предварительное  растяжение полимеров радикально улучшает их характеристики и способствует увеличению коэффициента деформации и электрической прочности на пробой почти в 100 раз. Специалисты SRI предполагают, что молекулярные цепочки ориентируются вдоль плоскости растяжения и делают ее более прочной. Для достижения эффекта предварительного напряжения в разработанных инженерами SRI приводах встроена специальная внешняя обтяжка.

      Во-вторых, когда в поисках наилучшего пластика были проанализированы почти все известные эластичные материалы, ученые наткнулись на акриловый эластомер, который способен претерпевать гигантские деформации (до 380%) с выделением большого количества энергии. Сделанные открытия позволили начать работу над созданием реальных устройств. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                              3. Устройство

      Искусственные мускулы устроены сравнительно просто. Многие диэлектрические эластомеры (класс изолирующих электроактивных пластических материалов), такие как силиконовые и акриловые пластики, под действием высоковольтного электрического поля сжимаются вдоль силовых линий и расширяются перпендикулярно им. Представьте себе конденсатор - две параллельные проводящие пластины, между которыми проложен изолятор. При подаче напряжения положительные и отрицательные заряды скапливаются на противоположных пластинах. Они притягиваются друг к другу и сжимают полимерный изолятор, который при этом расширяется. Тонкая пленка диэлектрического эластомера (обычно толщиной 30-60 мкм) ламинируется с обеих сторон проводящими углеродными частицами, взвешенными в мягкой полимерной матрице. Углеродный слой, соединенный проводниками с источником питания, представляет собой эластичный электрод, который может расширяться вместе с пластиком. Из таких слоистых пластиковых пленок изготавливается целый ряд новых приводов, сенсоров и электрогенераторов.

 Диэлектрические эластомеры, размер которых  может увеличиваться на 380%, - наиболее эффективный, но не единственный тип электроактивных материалов. График (рис. 1) позволяет сравнить различные материалы и устройства, активируемые электрическим током, электростатическим и электромагнитным полями. Коэффициент деформации характеризует удельное растяжение на единицу длины материала. В качестве силовой характеристики выбрано отношение достигаемого давления к плотности материала. Наибольшие деформации и усилия свойственны диэлектрическим эластомерам, которые по этим показателям схожи с мышцами животных.

рис. 1

                              4. Реализация

      Полезный  эффект может быть получен при использовании многих акриловых и силиконовых полимеров и даже, в некоторой степени, натуральной резины. Для производства искусственных мышц, работающих в экстремальных условиях открытого космоса, подойдут силиконовые пластики, функционирующие в вакууме даже при —100°С. Для достижения большой выходной мощности можно увеличить объем полимера или объединить несколько элементарных приводов последовательно или параллельно.

      Для активации эластомеров требуется довольно высокое напряжение -от 1 кВ до 5 кВ. Однако устройства работают при очень малых токах и поэтому мало нагреваются. Чем выше напряжение, тем больше достигаемое растяжение и усилие. Единственное ограничение - электрическая прочность диэлектрика на пробой.

      Необходимость использования высокого напряжения не должна вызывать беспокойство: в конце концов, люминесцентные лампы и электронно-лучевые трубки - тоже высоковольтные устройства, но их никто не опасается. Однако технические трудности возникают при изготовлении переносных приборов, т.к. для обычных низковольтных батарей требуются преобразователи напряжения.

      Лишь  недавно ученым из Пенсильванского университета удалось понизить напряжение активации некоторых композитов из электрострикционных полимеров и других материалов.

Потребуется дополнительное время на исследование надежности приводов на основе диэлектрических  эластомеров, разработанных в SRI. Одно из устройств, характеризующихся удельной деформацией в 5-10%, уже было испытано в 10 млн. рабочих циклов. Другой прибор успешно увеличивал и уменьшал свою площадь на 50% 1 млн. раз подряд.

      Хотя  искусственные мышцы гораздо легче электромоторов, инженеры SRI продолжают работать над снижением веса мышечных приводов за счет облегчения внешних конструкций, обеспечивающих предварительное напряжение полимеров. 
 

                        4.1 Производство изделий

      Завершив  разработку основных механизмов, группа SRI приступила к внедрению их в целом ряде оригинальных направлений:

      Линейные  приводы. Для изготовления пружинных валиков (spring rolls) инженеры наматывают вокруг спиральной пружины несколько слоев пленки из предварительно напряженного ламинированного эластомера. Сжатие пружины обеспечивает предварительное напряжение по внешней поверхности, а предварительное сжатие пленки в продольном направлении удерживает пружину в сжатом состоянии. При подаче электричества пленка утончается, растягиваясь в продольном направлении, и пружина удлиняется. Такие устройства заинтересовали автомобилестроителей: они компактны, обеспечивают большие усилия и могут вытеснить электродвигатели, применяемые для автоматического управления положением сидений и в клапанной системе высокоэффективных безкулачковых двигателей.

      Изгибающиеся  валики. На внешней поверхности пружинного валика можно расположить пленку, состоящую из нескольких секций с индивидуальными электродами. Активация одного сегмента вызовет его удлинение, и весь валик наклонится в противоположную сторону. Подобные механизмы могут выполнять сложные движения, которые трудно воспроизвести с помощью обычных моторов и зубчатых передач. Они найдут применение в управляемых медицинских катетерах и в так называемых роботах-змеях.

      Пушпульные  приводы. Пара пластин из диэлектрического эластомера или пара пружинных валиков может быть включена по схеме «тяни-толкай» (push-pull). Переключая напряжение с одного элементарного привода на другой, можно обеспечить возвратно-поступательное движение. Одновременная активация обоих устройств позволяет получить жесткую сборку в нейтральном положении. Такой привод может работать как противостоящие друг другу бицепс и трицепс, управляющие движением человеческой руки.

      Громкоговорители. Если натянуть пленку из диэлектрического эластомера на рамку, то, подчиняясь поданному электрическому сигналу, она начнет быстро сжиматься и расширяться, издавая звук. Такое устройство может работать как легкий, плоский и недорогой громкоговоритель. Существующие конструкции обладают хорошими характеристиками в области средних и высоких частот. И хотя работа устройства в низкочастотном диапазоне пока не оптимизирована, непреодолимых препятствий для этого не существует.

      Насосы. Конструкция диафрагменного насоса из диэлектрического эластомера аналогична конструкции громкоговорителя, к которому добавлен резервуар и два однопроходных ограничительных клапана для управления потоком жидкости.

      Датчики. Благодаря своей пьезоэлектрической природе все разрабатываемые в SRI устройства с диэлектрическими эластомерами генерируют электрический сигнал в ответ на изгиб или растяжение. Таким образом, каждое из них представляет собой однокомпонентный датчик. Уже разработана конструкция сенсоров, определяющих степень натяжения автомобильных ремней безопасности. Кроме того, похожие датчики могут быть встроены во многие волокнистые материалы и ткани.

      Управляемые поверхности. Если на полимер нанести определенный рисунок из электродного покрытия, то можно получить поверхность с управляемым рельефом. Технология подходит для создания камуфляжных тканей с изменяемой отражательной способностью и получения «ребрышек», улучшающих аэродинамические характеристики самолетных крыльев.

      Источники электропитания. Способность ЭАП в результате деформации генерировать электричество позволяет изготавливать на их основе электрогенераторы с переменной емкостью. DARPA и армия США финансируют разработку «каблучных» генераторов -портативных источников питания, заменяющих батареи. Делая один шаг в секунду, человек среднего веса может вырабатывать мощность порядка 1 Вт. Изобретение уже привлекло внимание обувных компаний. Аналогичные устройства нетрудно вмонтировать в лямки рюкзака или в подвеску автомобиля. Возможно, новая концепция найдет применение в волновых и ветровых электрогенераторах.

Недавно исследователи SRI испытали «полимерный двигатель». В закрытой камере воспламенялся пропан, и давление, созданное продуктами сгорания, деформировало диафрагму из диэлектрического эластомера, вырабатывающую электричество. На очереди устройства внешнего сгорания, основанные на цикле Стерлинга. Со временем конструкторы планируют создать эффективные генераторы размером не больше сантиметра. 
 
 
 
 

                  Пружинные валики, змеи и руки роботов

      Валиковый привод представляет собой сжатую спиральную пружину, обернутую двумя слоями пленки из диэлектрического эластомера (ламинированного с обеих сторон эластичными электродами). Пружинные валики могут применяться во всех случаях, когда нужно обеспечить простое линейное перемещение, например, в механизмах роботов, протезов, клапанов и насосов. Сейчас такие двигатели вырабатывают усилие до 30 Н (около 3 кг), линейное смещение около 2 см и частоту срабатывания более 50 Гц. Для повышения эффективности можно соединить несколько элементарных приводов последовательно или параллельно.

      Небольшая доработка - и валик начинает изгибаться по команде. Электроды специальной  формы наносятся на пленку из диэлектрического эластомера таким образом, что валик фактически представляет собой два независимо возбуждаемых привода. Например, если подать напряжение только на левую сторону валика, его правая часть остается неподвижной, и валик изогнется вправо. При подаче напряжения на обе половины цилиндр удлиняется. Усложнив конфигурацию независимых электродов, можно добиться более сложного движения. Изгибающиеся ролики найдут применение в роботах-змеях, манипуляторах, управляемых катетерах и эндоскопах, шагающих машинах и антенных механизмах.

                        Послушные мембраны

      Для изготовления диафрагменного привода  достаточно натянуть пленку из диэлектрического эластомера на жесткую рамку. Чтобы  при подаче напряжения диафрагма  двигалась в определенном направлении (вверх или вниз), а не просто сморщивалась, ее оттягивают с помощью пружины  или обеспечивая небольшой избыток  давления газа или жидкости. Диафрагменные приводы полезны в тех случаях, когда нужно добиться изменения объема, например в насосах и громкоговорителях. Аналогичные устройства на пьезоэлектриках используются довольно давно, однако применение диэлектрических эластомеров позволяет получить большие смещения. В некоторых приборах диафрагма из плоской превращается в полусферическую (см. рис. внизу). 

                        Управляемые поверхности

      Для изготовления «активных»  камуфляжных материалов необходимо сделать их текстуру управляемой. Регулируя рельеф поверхности крыла самолета или корпуса корабля, удается добиться лучшего обтекания воздухом и водой. Также с помощью изменяемой текстуры можно создать осязаемые рельефы, включая алфавит Брайля для слепых.

      В большинстве приводов диэлектрические эластомеры деформируются вдоль плоскости пленки, а изменение их толщины едва заметно. Но, покрывая тонкие пленочные слои с узорными эластичными электродами более толстыми и мягкими слоями полимерного геля, можно достичь значительного изменения толщины. Гель вытекает из области расширения пленки за счет ее утончения и создает выступы там, где она сжимается. Изменение толщины гелевого слоя легко увидеть и почувствовать наощупь. 
 

                        «Каблучные» генераторы

      Обычно  на диэлектрический эластомер подается электрическое напряжение, деформирующее его. Вместе с формой полимерной пленки изменяется и эффективная емкость устройства, и это позволяет с помощью соответствующей электроники вырабатывать электроэнергию. Генераторы из таких материалов получаются весьма эффективными и необычайно легкими. Применение диэлектрических эластомеров целесообразно в тех случаях, когда электроэнергия вырабатывается за счет больших перемещений, например, за счет ветра, морских волн или движений человека во время

ходьбы  или бега. «Каблучный» генератор  не утяжеляет обмундирование и эффективно преобразует давление пятки на каблук в деформацию сборки из многослойных диафрагм.

Инженеры  из SRI полагают, что мощность подобных генераторов при нормальной ходьбе может достигать 1 Вт. Уже разрабатывается источник питания такого типа для солдатского полевого обмундирования. Аналогичные устройства найдут и гражданское применение, например, в качестве подзарядки для сотовых телефонов и портативных компьютеров. 
 
 
 

                              5. Память формы

      Первые  исследования в области искусственных  мышц были напрямую связаны с эффектом памяти формы, который присущ некоторым  сплавам. Он был открыт в 1932 году шведским физиком Арни Оландером (Arne Olander) на примере сплава золота с кадмием, но почти 30 лет не привлекал особого  внимания. В 1961 году память формы совершенно случайно обнаружили у никель-титанового сплава, изделие из которого можно  произвольно деформировать, но при  нагреве оно восстанавливает  свою первоначальную форму. Не прошло и двух лет, как в США появился коммерческий продукт — сплав, нитинол, получивший название по своему составу  и месту разработки (NITINOL — NiTi Naval Ordnance Laboratories).

      Память  формы обеспечивается за счет того, что кристаллическая решетка  нитинола может находиться в двух устойчивых состояниях (фазах) — мартенситном и аустенитном. При температуре  выше некоторой критической весь сплав находится в аустенитной  фазе с кубической кристаллической  решеткой. При охлаждении сплав переходит  в мартенситную фазу, в которой  благодаря изменившимся геометрическим пропорциям ячеек кристаллической  решетки становится пластичным. Если приложить небольшое механическое усилие, изделию из нитинола в мартенситном состоянии можно придать почти  любую конфигурацию — она будет  сохраняться до тех пор, пока предмет  не нагреют до критической температуры. В этот момент мартенситная фаза становится энергетически невыгодной, и металл переходит в аустенитную фазу, восстанавливая прежнюю форму.

      Так это выглядит в простейшем случае. На практике, конечно, на деформации есть ряд ограничений. Главное — они  не должны превышать 7—8%, иначе форма  уже не сможет быть полностью восстановлена. Последующие разработки позволили  создать различные варианты нитиноловых  сплавов. Например, есть такие, что помнят сразу две формы — одна соответствует  высоким температурам, другая —  низким. А при промежуточных температурах материал можно произвольно деформировать, но он вспомнит одну из двух своих форм при нагреве или охлаждении.

      На  сегодняшний день известно уже более  десятка сплавов с памятью  формы на базе разных элементов. Однако семейство нитиноловых сплавов  остается самым распространенным. Эффект памяти формы в сплавах на основе NiTi четко выражен, причем диапазон температур можно с хорошей точностью  регулировать от нескольких градусов до десятков, вводя в сплав различные примеси. Кроме того, нитинол недорог, удобен в обработке, устойчив к коррозии и обладает неплохими физико-механическими характеристиками: например, его предел прочности всего в 2—4 раза ниже, чем у стали.

      Пожалуй, основным недостатком подобных сплавов  долгое время был небольшой запас  цикличности. Количество управляемых  деформаций не превышало пары тысяч  итераций, после чего сплав терял  свои свойства.

      Разрешить эту проблему смогла компания NanoMuscle. Зимой 2003 года на международной ярмарке  игрушек в Нью-Йорке ею была представлена необычная кукла — Baby Bright Eyes. Игрушка  очень реалистично копировала мимику глаз маленького ребенка, чего практически  невозможно достичь при помощи традиционно  применяемых в игрушечной индустрии  микроэлектродвигателей — они слишком  инерционны. При этом стоимость куклы (при серийном производстве) оценивалась  всего в 50 долларов, что выглядело  совсем уж фантастично.

      При создании прототипа куклы инженерам  компании NanoMuscle удалось преодолеть ограничения цикличности, используя  наночастицы из титана и никеля, а также разработав программное  обеспечение, управляющее сплавом  в более щадящем режиме, поэтому  жизненный цикл таких наномускулов превышает пять миллионов итераций. Наночастицы соединялись в тонкие волокна диаметром около 50 микрон, а из них сплетался провод длиной несколько сантиметров, который  мог менять длину на 12—13% (еще  один рекорд).

      Вызывает  уважение и сила устройства, получившего  название NanoMuscle Actuator. При равной массе  наномускул развивает мощность в  тысячу раз больше, чем человеческие мышцы, и в 4 000 раз больше, чем электродвигатель, и при этом скорость его срабатывания составляет всего 0,1 секунды. Но что  особенно важно, благодаря составной  конструкции NanoMuscle Actuator не переходит  скачком из одного состояния в  другое, а может двигаться плавно с заданной скоростью.