Искусственные мышцы
Как можно извлекать колоссальную энергию из того, что на вид хлипкое? Вспомните тощих велосипедистов, покоряющих горы на маршруте «Тур де Франс». Вся штука в удельной мощности, но как это воспроизвести искусственно? Область разработки искусственных мышц уже создает материалы с еще более поразительными показателями.
Если вам когда-нибудь приходилось беседовать с более-менее приличным велосипедистом, вы знаете, что эти ребята повернуты на своих показателях. Они постоянно отслеживают среднюю скорость и подсчитывают расстояния и высоту расположения маршрута. Они делятся своими данными через мобильные приложения и состязаются за титул «царя горы» — за рекорд скоростного въезда на возвышенность. Но главное — они одержимы своей удельной мощностью. Любой велосипедист, достойный своих педалей, знает: чтобы выиграть «Тур де Франс», нужна удельная мощность около 6,7 ватт на килограмм (Вт/кг).
Для нас, простых смертных, это означает, что нужно жать на педали со всей дурацкой мочи и при этом быть таким тощим, чтобы со стороны казалось, что любой порыв ветра сдует вас из седла. Четырехкратный олимпийский чемпион Брэдли Уиггинз, выигравший в 2011 году «Тур де Франс», — отличный пример. В те поры худосочный Уиггинз весил примерно 70 кг и выдавал примерно 460 ватт мощности. (Вроде впечатляюще, но, чтобы запитать ваш фен, понадобится как минимум два таких Брэдли Уиггинза.) Это значит, что на каждый килограмм своего тела Уиггинз мог генерировать 6,6 ватт мощности и, следовательно, его удельная мощность 6,6 Вт/кг.
Мощность к весу
Схожая одержимость соотношением мощности к весу наблюдается и в автомобильной промышленности: в 2007 году «порше-911» выдавал примерно 271 Вт/кг. Важна эта пропорция и для разработчиков искусственных мышц. Десятки лет материаловеды пытались разработать материалы и механизмы, способные на движение подобно человеческим мышцам, но хотелось бы, чтобы у них еще и удельная мощность была высокая. В таких материалах таится заманчивая перспектива создания сверхмощных роботов с интересной мимикой.
«Хотя гель нацело состоит из синтетического полимера, он способен к самостоятельному движению, как живой» Синго Маэда и коллеги, из «Международного журнала молекулярных наук» (2010)
Современные технологии способны создать робота, который может поднимать немалый вес или, скажем, ехать в горку на скорости, близкой к звуковой, но робот этот будет довольно громоздок, иначе не выдаст нужную мощность. В идеале — разработать робота, который занимает немного места, но зато генерирует зверскую мощность. (А когда вы приложите все нужные усилия, чтобы создать такого робота и оборудовать его необходимыми мышцами, можно задействовать кое-какие из них, чтобы робот улыбался или корчил рожи.)
Сократить и вытянуть
Следующий вопрос: как создать крохотные, но сверхмощные мышцы? Неудивительно, что дело это непростое. Перво-наперво, нужно подобрать материал, который быстро растягивается и сжимается, как настоящая мышца, а еще надо, чтобы он был крепче стали, но при этом гнулся. Далее нужно придумать, как подать в этот материал энергию. С Брэдли Уиггинзом-то все понятно: у него ножные мышцы и так состоят из клеток, производящих химическую энергию, ему остается лишь поставлять топливо и кислород, а это он делает, попросту питаясь и дыша. С роботами же все иначе.
Искусственные мышцы, именуемые также актуаторами, изготовлены преимущественно на основе полимеров. Ученые, исследующие электроактивные полимеры, трудятся над созданием мягких материалов, которые меняют форму и размер под действием электрического тока. Уже есть массово производимые кремниевые и акриловые материалы (эластомеры). Есть и ионные полимерные гели, которые набухают или сжимаются в ответ на электрический стимул или смену химических условий. Любая искусственная мышца требует питания, но материалы, работающие на электричестве, требуют постоянного энергоснабжения, иначе они не двигаются.
В 2009 году, впрочем, японские исследователи заставили кусок полимерного геля «идти» без посторонней помощи, на чистой химии — на аналоге классической реакции Белоусова-Жаботинского. В этой реакции ионы дипиридил-рутения участвуют в колебательной реакции, которая влияет на состояние полимера в геле — заставляет его молекулы сокращаться и вытягиваться. В изогнутом образце геля получается самостоятельное движение, исследователи так и написали: «Как будто он живой». Подобно неторопливой гусенице, ползущей не спеша по поверхности, движение это быстрым не было, зато совершенно завораживало.
Крутим-вертим
Более передовые — и куда более дорогие — материалы получается делать из углеродных нанотрубок. За последние два года эти материалы почти добрались до вершин сверхпрочности, сверхскорости и сверхлегкости и могли бы, честно говоря, посрамить самого Уиггинза. В 2012 году международная группа исследователей, в том числе из Института нанотехнологий университета Техаса, Даллас, объявила о создании искусственных мышц на основе углеродных нанотрубок, скрученных в пряди, скрепленные воском. Такие наноуглеродные пряди выдерживают нагрузку, в 100 000 раз превышающую их массу, и сокращаются за 0,025 секунды под действием тока. Такие сумасшедшие показатели соответствуют удельной мощности в 4200 Вт/кг. Это на несколько порядков выше мощности человеческой мышечной ткани.
Нанотрубки — один из крепчайших материалов, известных человечеству, однако стоит эта субстанция несколько тысяч долларов за кило. Исследователи вознамерились поискать материал подешевле и вернулись к расчетам. Через два года они заявили, что повторили собственный подвиг, применив скрученные полиэтиленовые лески. Получившиеся дешевые искусственные мышцы потребляли тепловую энергию и могли поднять 7,2 кг даже при своей толщине менее миллиметра. Мощность этого прямо-таки хит-робинсоновского4 прибора составила 5300 Вт/кг. Так-то, Брэдли Уиггинз!
Полиэтиленовая мощность
Искусственные мышцы, созданные химиком Реем Бафменом и его коллегами в 2014 году, сделаны из четырех полиэтиленовых лесок, перекрученных в прядь толщиной 0,8 мм. И все же эта тонкая веревочка, сделанная не из каких-нибудь там футуристических материалов, а из полимера, придуманного 80 лет назад и стоящего 5 долларов за килограмм, смогла поднять вес средних размеров собаки. При этом сократилась она вполовину. Как едва видимая прядь лесок может поднять 7 кг массы? Ответ: спасибо перекручиванию и укладыванию петлями. Полиэтилен делается торсионным материалом и может выдерживать куда большие нагрузки. Многие искусственные мышцы запитаны электричеством, но полиэтиленовые волокна откликаются просто на смену температуры. Чтобы они сократились, нужно их нагреть, а охлаждаясь, они распрямляются. «Мышцы» можно поместить в трубки, и тогда их можно быстро охладить водой. Но, чтобы получалось похоже на быстрые сокращения настоящих мышц, необходимо менять температуру очень споро.
Не роботам одним
Помимо лицевых ужимок для роботов (и подъема тяжестей), для чего еще нужны искусственные мышцы? Есть соображения о человеческих экзоскелетах, точной микрохирургии, ориентации солнечных батарей, а также одежде с порами, которые могут закрываться и открываться по погоде. Пряжа полимерных мышц может сокращаться и расслабляться в ответ на перемену температуры, а значит, можно создать ткань, которая и впрямь «дышит». Похожие соображения вдохновляют и разработку самооткрывающихся ставней и жалюзи.