Запропоновано простий спосіб створення штучних м'язів
Незвично простий підхід до створення штучних м'язів на основі високоміцних полімерних волокон запропонувала міжнародна команда дослідників. Замість того щоб розробляти складні і дорогі матеріали, вчені виготовили штучні м'язи з простих полімерів, які широко використовуються для виробництва швейних ниток і рибальської волосіні. При нагріванні розроблені волокна можуть скорочуватися і подовжуватися в набагато більшому ступені, ніж біологічні м'язи. У перспективі запропоновані волокна можуть використовуватися, наприклад, при створенні чутливих до температури жалюзі на вікна або «розумної» одягу.
Матеріали, які розширюються або стискаються в відповідь на ту чи іншу форму зовнішньої стимуляції, корисні для робототехніки, де вони застосовуються для створення «приводів» або штучних м'язових волокон. Крім того, вони можуть використовуватися і на менших масштабах, наприклад, при розробці датчиків для пристроїв, сфабрикованих на єдиному чіпі.
На сьогоднішній день існує велика кількість подібних матеріалів, зокрема, матеріали з пам'яттю форми - метали або полімери, які мають два стабільних стани і можуть раптово перемикатися з одного в інше (припустимо, з короткою форми в довшу) при певній температурі. Ще кілька цікавих прикладів - це електроактивні полімери, які змінюють свою довжину у відповідь на зовнішнє електричне поле, а також волокна з вуглецевих нанотрубок, що допускають електрохімічний стимуляцію. Однак всі ці матеріали мають свої недоліки. Характеристики металів з пам'яттю форми можуть погіршуватися після обмеженого числа циклів, показуючи різні варіанти гистерезиса (відсутність зміни фази при заданій температурі). Полімери, керовані електричним полем, складні в експлуатації, оскільки для значної зміни їх форми потрібні занадто великі варіації поля. Крім того, всі ці матеріали, а особливо волокна на основі вуглецевих нанотрубок, досить вузькоспеціалізовані і дороги у виробництві.
У своїй останній роботі група дослідників з University of Texas (США), а також їх колеги з Канади, Південної Кореї, Туреччини, Китаю та Австралії, запропонувала іншу тактику створення штучних м'язів.
На відміну від більшості матеріалів, полімерні волокна, як правило, скорочуються при нагріванні, тому що ентропія системи зростає, полімерні ланцюги стають менш впорядкованими. Масштаб ефекту - приблизно 4% для підвищення температури на 250 градусів за шкалою Кельвіна. Але більш важливим є те, що при підвищенні невпорядкованості, збільшується товщина волокна. Група вчених розробила простий спосіб застосування цього радіального розширення для посилення або, навпаки, придушення теплового стиску полімеру.
Створюючи свої волокна, дослідники використовували високоупорядоченние лінійні полімерні ланцюги, які неодноразово зверталися у в спіралі. Коли волокно нагрівається і стає товщі, з'являється крутний момент, який прагнути «розкрутити» спіраль.
Створюючи «штучні м'язи», дослідники намотували волокна на сердечник. Вони показали, що при намотування волокон в тому ж напрямку, в якому вони були спочатку скручені, крутний момент, що виникає в результаті нагрівання, дозволяє скоротити загальну довжину «м'язи» на 49%. Ще більш дивно, що при намотування волокна в протилежну сторону, нагрівання дозволяє збільшити довжину «м'язи» до 69%. Виміряні параметри вигідно відрізняють створені структури від м'язів людини, адже останні розширюватися і стискатися не більше ніж на 20% (хоча при цьому природні м'язи більш ефективно використовують енергію).
Основні механічні властивості, використані при створенні подібних штучних м'язів (радіальне теплове розширення в поєднанні з осьовим стисненням) зустрічаються у багатьох полімерів, які можна придбати в господарському магазині. Так для отримання високоміцних м'язів цілком можна використовувати і поліетилен, який використовується у виробництві волосіні, і нейлон, що застосовується для швейних ниток.