Мышцы животных — это белковые волокна, которые под действием нервных импульсов сокращаются и приводят части организма в движение. Правит балом, как обычно, энергия. В процессах сокращения энергия химических реакций переходит в механическую. Задачей ученых при воссоздании движения мягких тканей в роботизированных материалах является замена сложных химических реакций с органическими молекулами на физические процессы, которые легко воспроизвести на неживых объектах.
«Живые» роботы: как сокращаются искусственные «мышцы»
Роботы все меньше ассоциируются со скрежетом блестящего металла, гулом гидравлического привода и электричеством. Мягкие полимерные материалы позволяют машинам сильнее походить на свои прототипы — существа из мира природы. Увеличивается и количество способов приведения мягких роботов в движение. Один из них — имитация сокращения мышцы с помощью «игр» с водой и светом.
«Накормить» мышцы робота можно светом. Нужно лишь подобрать материалы, которые меняют под действием излучения некоторые физические свойства, например, способность впитывать влагу. Исследователи Северо-Западного университета в Иллинойсе создали комбинированный материал, который при освещении сокращается, подобно мышцам, не требуя дополнительного оборудования, электричества или гидравлического привода. Описание роботизированной мягкой материи ученые привели в статье, опубликованной в журнале Nature Materials.
Созданная структура состоит из наноразмерных пептидных сборок, которые используются обычно для отведения воды из материалов. Пептидные сборки связали с сетками из полимеров, реагирующих на свет. Химический сигнал от полимерных сеток, подобно нервному импульсу, стимулирует искусственную «мышцу» на сокращение.
Пока что скорость работы таких «мышц» не поражает воображение, но и Москва не сразу строилась:
Когда свет попадает на материал, и полимеры химически сообщают об этом пептидам, те из впитывающих воду вмиг превращаются в брезгливых «барышень», которые боятся «намочить прическу». Материал через пептидные трубки вытесняет лишнюю влагу и сжимается. Стоит выключить свет, «стеснение» исчезает. «Барышня» прыгает в бассейн, не думая о том, как выглядит со стороны. Темно — все равно никто и не увидит. Материал поглощает воду и расширяется.
Чтобы сдвинуть мягкого робота из такого материала в нужную сторону, нужно только правильно направить свет и чередовать включение/выключение. В результате можно заставить полимерную «мышцу» двигаться прямо, зигзагом и даже по кругу с нужной скоростью, зависящей от частоты мигания света.
Свойства подобных материалов открывают бездонный сундук с возможностями применения. В медицине мягкие изгибающиеся материалы могут пригодиться, когда нужно извлечь сгустки крови из сосудов мозга после инсульта. С помощью плавающих мягких роботов можно очищать системы водоснабжения, бассейны и естественные водоемы. Привет экологам и Грете Тунберг. Наконец, полимерные «мышцы», не требующие для сокращения углеводородного топлива, — настоящая находка для робототехники будущего.