Журнал «Вокруг Света» №06 за 2007 год

Искусственные мышцы

Существуют яркие технологические проекты «на слуху», вроде автомобильных автопилотов или термоядерной энергетики, которые, скорее всего, очень серьезно изменят нашу жизнь. Но есть и совсем неброские на первый взгляд идеи, последствия внедрения которых могут привести к едва ли не более радикальным переменам в повседневной жизни. Самый лучший пример — «мускульная ткань», появившаяся в фантастической литературе лишь тогда, когда в лабораториях уже полным ходом шли работы по созданию металлических и полимерных искусственных мышц, в том числе и для человеческих протезов.

В современной технике в основном используются два эффективных способа совершения механической работы: термодинамический и электромагнитный. Первый основан на использовании энергии сжатого газа, как в двигателях внутреннего сгорания, паровых турбинах и огнестрельном оружии. Во втором задействованы магнитные поля, создаваемые электрическими токами, — так работают электромоторы и электромагниты. Однако в живой природе для получения механического движения используется совершенно иной подход — управляемое изменение формы объектов. Именно так работают мышцы человека и других живых существ. При поступлении нервного импульса в них запускаются химические реакции, которые приводят к сокращению или, наоборот, к растяжению мышечных волокон.

Преимущества такого «природного» привода связаны с тем, что материал меняется как целое. Это значит, что в нем нет движущихся друг относительно друга, а следовательно, трущихся и изнашивающихся частей. Кроме того, сохраняется целостность организма (или, правильнее сказать, его геометрическая связность). Движение возникает на молекулярном, или, как модно теперь говорить, наноуровне за счет небольшого сближения или удаления друг от друга атомов вещества. Это практически избавляет мышцы от инерционности, которая так характерна для всех роботов с электродвигателями. Но, конечно, у мускульного привода есть и недостатки. Если говорить о живых мышцах — это постоянный расход химических компонентов, которыми необходимо снабжать каждую клетку мышечной ткани. Такие мышцы могут служить только в качестве части сложного живого организма. Другой недостаток связан с постепенным старением материала. В живом организме клетки периодически обновляются, а вот в монолитном техническом устройстве подобное обеспечить крайне сложно. В поисках искусственных мышц ученые стремятся сохранить преимущества, свойственные движителям на основе изменения формы, и в то же время избежать их недостатков.

Школьница Панна Фелсен соревнуется с искусственной рукой, изготовленной в Технологическом институте штата Виргиния

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.

В мгновение ока

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.

Наномускул, используемый для приведения в движение глаз куклы, управлялся 8-битным микропроцессором и имел напряжение питания 1,8 вольта. Его расчетная цена при промышленном производстве не превышает 50 центов. Позднее было представлено целое семейство игрушек такого рода с большим числом движущихся элементов. А вскоре венчурная компания NanoMuscle была поглощена быстро растущей китайской корпорацией Johnson Electric, которая специализируется на выпуске электрических приводов для самой разной техники — от DVD-проигрывателей до автомобильных зеркал.

Примерно в это же время в Техасском университете нанотехнолог Рэй Бахман (Ray Baughman) придумал, как заставить работать металлические мышцы вовсе без электричества — напрямую от химического топлива, что может пригодиться в системах с высокими требованиями к автономности. Трос из сплава с памятью формы он покрыл платиновым катализатором и стал обдувать смесью паров метанола, водорода и кислорода. В газовой среде из-за низкой концентрации реакция практически не идет, а вот на покрытой катализатором поверхности выделялось довольно много тепла. Повышение температуры заставляло трос изменять длину, после чего поступление метанола прекращалось, и через некоторое время трос остывал и возвращался к исходной длине. Может показаться, что это не слишком удачная идея, но ведь вовсе не обязательно, чтобы задействованные металлические мышцы непосредственно приводили в движение конечности или колеса робота. Если таких мышц много и они работают попеременно, то привод оказывается вполне стабильным, а по совместительству он еще будет служить топливным элементом, вырабатывающим энергию для бортовой электроники.

Электроактивные полимеры

Но металлы с памятью формы — не единственное направление в создании искусственных мышц. Доктор Йозеф Бар-Коэн (Yoseph Bar-Cohen) из Лаборатории реактивного движения NASA занимается созданием альтернативной технологии — электроактивных полимеров (electroactive polymer — EAP) и уже получил на этом поприще 18 патентов и две медали NASA. К началу 2001 года его лаборатория могла похвастаться двумя типами искусственных мускулов.

Один из них — это полимерные ленты из углерода, кислорода и фтора. При подаче электрического тока распределение зарядов на поверхности такой ленты меняется, и она изгибается. Лаборатория доктора Бар-Коэна уже демонстрировала журналистам простой манипулятор из четырех лент, который позволяет обхватить небольшой предмет и поднять его с земли (в будущем предполагается — с поверхности другой планеты). Очевидно, что сложность и разнообразие возможных движений такого захвата зависят лишь от конфигурации полимерных лент. На видеозаписи движение подобных полимерных мышц выглядит совершенно необычно: зажатые в тиски ленты вдруг начинают гнуться вверх и вниз — сначала медленно, как лепестки цветка, но потом все быстрее, все чаще, и вот их уже даже не видно — как крыльев комара в полете.

Устройства второго типа отличаются геометрией: пластины EAP свернуты в трубочки наподобие листьев табака в сигаре. При подаче напряжения трубочки сжимаются и сдавливают эластичную сердцевину, заставляя ее вытягиваться. В NASA надеются, что такие устройства могут быть использованы в новом поколении планетоходов. Например, в одном из проектов предлагается вместо отправки одного-двух тяжелых колесных аппаратов разбросать вокруг точки посадки сотни шариков с датчиками, адаптерами беспроводной сети и приводами на основе искусственных мышц второго типа, которые позволят шарикам перепрыгивать с места на место. Это даст возможность быстро и недорого обследовать сразу целую территорию. Кстати, современные модели EAP уже обеспечивают время срабатывания меньше 0,1 секунды, двукратное удлинение толкателя и силу, в 1 000 раз превосходящую его земной вес — вполне достаточно для прыжков по далеким планетам.

Игрушка с подвижными глазами, которые приводятся в действие нитиноловыми мышцами с памятью формы, разработанными компанией NanoMuscle

Поединок с роботом

Два года назад Бар-Коэн и несколько руководителей конкурирующих лабораторий решились на небольшое шоу для популяризации своих разработок — турнир по армрестлингу с искусственной рукой. В пресс-релизе событие предварялось такой решительной фразой: «Если автоматизированная рука победит, то она откроет двери для многих новых технологий в медицине, военном деле и даже индустрии развлечений».

Выбор соперника, а точнее соперницы, устроители турнира предоставили телевизионщикам, и те предпочли старшеклассницу Панну Фелсен (Panna Felsen), которая основала в своей школе в Сан-Диего клуб робототехники. Ей предстояло побороться с тремя искусственными руками по правилам, приближенным к классическим. За их соблюдением следили двое профессиональных борцов-армрестлеров. Шоу удалось на славу, однако оно немного остудило некоторые горячие головы: ни одна рука не выстояла против безусловно красивой, но хрупкой девушки.

Первым ее соперником стал манипулятор от американской компании Environmental Robots Incorporated с двумя искусственными мускулами. Поединок с роботом продлился 24 секунды. Второй и третий соперники выдержали всего 4 и 3 секунды соответственно. Турнир выявил кроме чисто силовых проблем, которые всегда можно решить наращиванием числа полимерных пластин, и другие серьезные недостатки аппаратов. Например, третья рука, созданная в Политехническом институте штата Виргиния, использовала для активации полимера не электрические импульсы, а химические процессы. По мнению ее разработчиков, такое решение намного более естественно для будущей реализации искусственных мышц. Однако в ходе шоу в полной мере проявилась медлительность химического механизма активации: искусственная мышца начала работать лишь спустя несколько секунд после начала поединка, так что манипулятор потерпел поражение еще до того момента, как вышел на рабочий режим.

Детство чемпиона

Один из серьезных конкурентов группы Бар-Коэна — компания Artificial Muscle, чрезвычайно серьезным образом понимающая свою миссию: «Вывести на рынок твердотельные приводы, которые сделают с моторами и насосами то же, что полупроводники сделали с электронными лампами». В качестве «твердотельных» приводов в Artificial Muscle занимаются все теми же электроактивными полимерами, но, чтобы отличаться от конкурентов, используют другую аббревиатуру — EPAM (Electroactive Polymer Artificial Muscle). По мнению разработчиков, искусственные мышцы в будущем превзойдут все остальные механические приводы — электромагнитные, пневматические, гидравлические и пьезоэлектрические — по всем параметрам: стоимости, шуму, скорости, весу и удельной мощности.

Но то в будущем, а пока однослойная полимерная искусственная мышца EPAM способна развивать усилие всего 0,5 ньютона (вес 50-граммовой гири). Правда, складывая десятки таких слоев, можно получить довольно значительный эффект. Такие устройства уже сейчас предлагаются, например, производителям фотоаппаратов в качестве приводов для механизма автофокусировки.

Искусственные мышцы быстро развиваются, однако многие результаты уже скрыты за завесой коммерческой тайны, поэтому трудно говорить о том, какие показатели являются на сегодня рекордными. Но, например, способность выдерживать до 17 тысяч циклов сжатия-растяжения в секунду, заявленная Artificial Muscle, имеет высокие шансы оказаться рекордом быстродействия в мире искусственных мышц. Так же как и возможность полимерного материала изменять свою длину в 3,8 раза, достигнутая в лаборатории компании. Конечно, долго такое «издевательство» над веществом продолжаться не может, и если требуется, чтобы полимерная мышца надежно срабатывала миллионы раз, она не должна менять свою длину более чем на 15%. По крайней мере, при современном уровне развития этой отрасли.

Электромускульная броня

Но благородные научные интересы специалистов вроде доктора Йозефа Бар-Коэна не идут ни в какое сравнение с объемами финансирования и техническими возможностями лабораторий, которые не гнушаются работой на военных, вроде BAE Systems. Эта компания выполняет военные заказы практически для всех технически развитых государств мира, и поэтому информация о ее разработках появляется достаточно часто, несмотря на режим секретности.

На этот раз утечка произошла через небольшую британскую компанию H. P. White Laboratory, которая занимается в основном испытаниями на прочность защитных систем: брони, пуленепробиваемых стекол, бронежилетов. По британским законам, информация о деятельности военных и медицинских компаний не может быть полностью спрятана за секретностью патентов, поэтому по их отчетам можно косвенно проследить за развитием новых разработок в военной сфере. На этот раз исследователи предложили использовать принцип EAP для создания «брони со множественными напряжениями», которая представляет собой многослойную структуру из большого числа полимерных лент с вкраплением микрочастиц прочной керамики и определенным образом ориентированных намагниченных частиц. Пуля, которая попадает в броню, вызывает начальную деформацию и приводит к резкому смещению намагниченных частиц. За счет индукции возникает короткий электрический импульс, заставляющий полимерные ленты сжиматься, резко повышая прочность брони, поскольку частицы вкрапленной бронекерамики имеют определенный силуэт, который позволяет им при сжатии сцепляться в сплошное покрытие.

Самое главное достоинство этой системы заключается в том, что максимальная «плотность» брони образуется как раз в точке попадания пули, постепенно уменьшаясь по сторонам. В результате кинетическая энергия пули равномерно распределяется почти по всей площади бронежилета. Броня получилась хоть и объемнее, но намного легче современных аналогов. Если раньше очередь в бронежилет из автоматической винтовки не убивала человека, но гарантированно выводила его из строя минимум на десятки минут, то, по предварительным расчетам, новая защитная система не оставит даже гематом на теле солдата.

К настоящему времени искусственные мускулы используются в основном в специфических областях, традиционно имеющих мощную государственную поддержку. Гражданские и даже медицинские исследования заметно отстают от военных. Разработчики искусственных мышц тщательно охраняют секреты их производства. Например, Artificial Muscle даже никому не продает свои полимерные ленты — только готовые приводы на их основе. В какой-то момент положение оказалось столь вопиющим, что группа Бар-Коэна просто взяла и опубликовала на своем сайте несколько нехитрых рецептов изготовления электроактивных полимеров, чтобы к работе могло подключиться больше независимых исследователей. Первые общедоступные устройства, использующие основные возможности искусственных мышц, появятся уже в ближайшее десятилетие, и они имеют все шансы стать той революционной новацией, которая откроет дорогу к созданию недорогих многофункциональных самодвижущихся бытовых роботов. Да и не только роботов. По признанию доктора Бар-Коэна, разработка этой технологии очень напоминает изобретательский бум конца XIX — начала XX века: материалы легкодоступны, опыты и исследования может поставить любой студент со светлой головой, а денежные затраты минимальны.

Так что осталось запастись терпением и через десяток лет хорошенько перетряхнуть содержимое книжной полки с научной фантастикой, чтобы избавиться от безнадежно устаревших в техническом плане книг.

Генри Шеппард

Читайте также на сайте «Вокруг Света»:

Нанотехнологии, или Атомы вместо гвоздей

Наномотор в электроэнергии не нуждается