Pulchritudo mundum servabit

(z łac piękno zbawi świat)

Niezależnie od aktualnego standardu piękna ludzkiego ciała, przez cały czas był on pożądany. Piękne ciała mają większe szanse na pomyślne zawarcie małżeństwa/wyjście za mąż, rozwój kariery, zdobycie popularności, a nawet stanie się wyborem ludzi... znowu kino i teatr. Naturalnie ludzie pozbawieni standardowej urody starają się choć trochę przybliżyć swoje „proste ciało” do standardu, katując się dietami, aktywnością fizyczną, wciągając się w gorsety, a w skrajnym przypadku komunikując się wyłącznie przez Skype w trybie konwersacji bez wideo, lub w przypadku kiepskiej dykcji tylko korespondencyjnie. Ale w dzisiejszym przemyśle form silikonowych nie ma rzeczy niemożliwych!

Przez pół wieku opracowano pięć generacji implantów „w celu skorygowania piękna ciała”. Należy zauważyć, że nie ma wśród nich całkowicie bezpiecznej wersji:

• pierwsza generacja(1960-1970) charakteryzował się mocną i grubą silikonową skorupą o gładkiej powierzchni, jej kontury można było rozpoznać przez skórę, po naciśnięciu słychać było chrzęst, podobny do dźwięku zmiętej kartki papieru. Pomimo grubości skorupy, jej wypełniacz częściowo „pocił się” na zewnątrz, powodując częściowe marszczenie tkanek;
• drugie pokolenie(1970-1980) implanty silikonowe miały cieńszą otoczkę i gładszą powierzchnię. Wypełniaczem, podobnie jak w pierwszej generacji, był żel silikonowy. Nie chrupały, ale miały większy stopień „pocenia się” i co gorsza, często były podarte. Niektóre modele implantów pokryto materiałem gąbczastym wykonanym z pianki mikropoliuretanowej, co zmniejszyło prawdopodobieństwo wystąpienia stanu zapalnego i zapobiegło przemieszczeniu się implantu;
• w skorupkach trzecie i czwarte pokolenie(powstał około 1985) uwzględnił wady poprzednich modeli - fakturę na powierzchni, podwójne ścianki i podwójną komorę, z żelem silikonowym na zewnątrz i solą fizjologiczną w środku. Wprowadzenie roztworu soli fizjologicznej w wymaganej objętości umożliwiło korektę kształtu implantu po jego umieszczeniu „na miejscu”. Dwie warstwy ścian zewnętrznych zapobiegały „płaczeniu”, minimalizując je. Pęknięcia implantów tych pokoleń są rzadkie, ale zdarzały się;
• piąta generacja(założona około 1995 r.). Wytrzymały, wypełniony żelem silikonowym o wysokim wiązaniu międzycząsteczkowym (kohezja), niepodatny na „pocenie się”. Przy zmianie pozycji ciała geometria implantów nie zmienia się pod wpływem siły ciężkości – wypełniacz zachowuje pamięć pierwotnego kształtu. Nie ma jednak 100% pewności, że są bezpieczne.

Silikonowe wypełniacze do implantów:

• płynny silikon konsystencja podobna do oleju roślinnego;
• galaretowaty żel silikonowy o standardowej spójności. Implant jest trudny do zidentyfikowania dotykiem, pod względem gęstości odpowiada on żywej tkance. Stopień „pocenia się” jest niski, ale taki wypełniacz dość słabo zachowuje swój kształt;
• żel o wysokiej spójności konsystencją podobną do marmolady. Posiada wyjątkowo niski stopień odkształcenia, nie „poci się”, ale posiada dużą pamięć kształtu, tj. obszar ciała w obszarze implantu może mieć nienaturalny wygląd;
• średnio spójny żel(miękki w dotyku), podobny do galaretki. Pamięć kształtu jest przeciętna, skorupa nie „poci się”;
• solankowy(0,9% roztwór chlorku sodu w wodzie). Niezawodność implantów jest słaba, gdyż po dziewięciu miesiącach od momentu umieszczenia w organizmie sól krystalizuje, tj. staje się częściowo stały. Powstałe kryształki soli są w stanie przebić otoczkę implantu.

W zależności od miejsca umieszczenia implanty często mają kształt owalny, rzadziej stożkowy. We wszystkich opisanych poniżej przypadkach stosuje się implanty co najmniej trzeciej generacji.

piersi silikonowe. Na długo przed pojawieniem się pierwszych chirurgicznie zmodyfikowanych transseksualistów kobiety desperacko chciały poprawić kształt swojego biustu. W przypadku braku innych opcji zastosowano różne sztuczki, takie jak wypchany gorset i obszerna koronka. Ale pracowali tylko do momentu odsłonięcia klatki piersiowej, a potem… po zawstydzeniu było nieuniknione. Pierwszą próbę rekonstrukcji gruczołów sutkowych od wewnątrz podjął czeski chirurg Vincent Czerny w 1895 roku, wykorzystując tkankę tłuszczową pacjentki.

Rozwój przemysłu filmowego na początku XX wieku dał nowy impuls implantacji piersi. Chirurdzy poszukiwali optymalnego materiału do powiększenia kobiecego biustu, wypełniając go kulkami szklanymi, tkanką tłuszczową, wełną, zwiniętą taśmą plastikową, tworzywem piankowym, a nawet, zapewne przez analogię do szkła, kulkami z kości słoniowej. Spośród tych metod implantacji najbardziej nieszkodliwa była tkanka tłuszczowa samej pacjentki, jednak nowy biust nie zachował długo swojego kształtu – organizm wchłonął tłuszcz, a piersi zwiotczały bardziej niż wcześniej.

Ale formy gwiazd filmowych nie dawały spokoju farbowanym blondynkom z USA i Europy. Ich logika była prosta – skoro można zmienić kolor włosów, to dlaczego nie zrekonstruować klatki piersiowej? Do połowy ubiegłego wieku objętość biustu powiększyła się o około 50 000 kobiet, głównie Amerykanek i Japonek (pracownice branży seksualnej z Kraju Kwitnącej Wiśni). Wykorzystano w nich materiały, które były wówczas nowością w przemyśle chemicznym – gąbki poliwinylowe (jak wiadomo płyty robiono z winylu) i płynny silikon (wtryskiwany). Konsekwencje były godne ubolewania... piersi stały się tak twarde, że właścicielki trzeba było ratować poprzez ich całkowite usunięcie.

Implanty silikonowe, jakie znamy dzisiaj, pojawiły się w 1961 roku. Zostały stworzone przez amerykańską korporację Dow Corning – skorupa została wykonana z gumy, wypełniaczem był żel silikonowy. Trzy lata później francuski Arion wypuszcza na rynek swoją wersję protez silikonowych wypełnionych wodą morską. W latach 80. amerykańskie implanty uznawano za możliwą przyczynę raka piersi, a na początku lat 90. zakazano ich masowego stosowania. Po lawinie pozwów właścicieli silikonowych piersi Dow Corning wypłacił ponad 3 miliardy dolarów odszkodowania i zbankrutował.

Pośladki silikonowe. Ten rodzaj chirurgii plastycznej nazywa się gluteoplastyką. Cel stosowania implantów z tej grupy, podobnie jak w przypadku piersi silikonowych, wiąże się z podniesieniem walorów estetycznych ciała – uzyskaniem płaskiej objętości.

Pod względem popularności wśród przedstawicieli płci mocnej i słabszej na drugim miejscu znajdują się pośladki, co oznacza, że ​​ich atrakcyjne parametry cieszą się zainteresowaniem wśród potencjalnych posiadaczy implantów pośladkowych. Modę na wystający tyłeczek wśród kobiet wprowadziła Jennifer Lopez – tancerka, po aktorce filmowej i piosenkarce. Piąty punkt J. Lo niezmiennie prowadzi wśród innych „gwiezdnych pośladków”, czemu ułatwia jego ciągła demonstracja.

Musiałem oglądać w sieci nieprzyjemne filmy z silikonowymi implantami w pośladkach, które podobno można było swobodnie obracać pod skórą. Tak naprawdę ich prawidłowa integracja następuje pod mięśniami pośladkowymi, nie ma możliwości ich rozpoznania z zewnątrz, a tym bardziej nie będzie możliwości przemieszczenia implantów.

Jeśli piersi z wypełniaczem silikonowym są popularne głównie wśród kobiet, to silikonowe pośladki są równie atrakcyjne dla obu płci - wszak związane z wiekiem płaskie pośladki są typowe zarówno dla mężczyzn, jak i kobiet.

mięśnie silikonowe. Przypomnijmy sobie bohaterów filmowych końca lat 80. – brutalnych, rozpaczliwie napompowanych facetów z klasy „hasta la vista, kochanie”, z twarzą nie zniekształconą myślą. Schwarzenegger, Stallone, Lungren, Scala Johnson, Hulk Hogan i wielu innych - wszystkich łączyły przede wszystkim obszerne, obfite mięśnie w całym ciele. Współcześni bohaterowie akcji nie są już tacy sami. Intelekt wkradł się w rysy twarzy, dane fizyczne były raczej na średnim poziomie - zaczęli odgrywać swoje role, a nie tylko pojawiać się w kadrze z kupą mięśni z kilkoma dyżurnymi frazami na tle anty -szokujący uśmiech z białymi zębami.

Oczywiście mięśnie idoli filmowych nie były pochodzenia naturalnego, gdyż żadna ilość treningu nie pozwoli im uformować tak wypukłych kostek i kulek. Mężczyźni i kobiety, chcący wyróżnić się z szarej masy Ziemian imponującymi mięśniami, zmuszeni byli wstrzykiwać, jeść i pić chemikalia, które sztucznie zwiększały wzrost włókien mięśniowych i powodowały dopływ krwi do mięśni. Koszt sterydów był imponujący - od 25 000 do 30 000 dolarów rocznie. Jednocześnie obszerne mięśnie i prawdziwa siła fizyczna nie były synonimami - kulturysta jest w stanie podnieść znaczny ciężar w miejscu, ale nie jest w stanie przenieść ciężaru o połowę mniejszego niż podniesiony, ponieważ. brak wytrzymałości mięśni.

Współcześni aktorzy filmów akcji różnych gatunków nabyli niesamowitą umiejętność zmiany objętości swojego ciała w ciągu kilku miesięcy, co w prasie nazywa się pewnego rodzaju talentem fizycznym i umiejętnościami trenerów. W rzeczywistości, co można stwierdzić z dużym prawdopodobieństwem, ich ciała nie są trenowane bardziej niż ciała zwykłych ludzi, obciążających mięśnie jedynie okresowo. O wiele łatwiej uzyskać odciążenie ciała za pomocą form silikonowych - implantów bicepsów, kostek na brzuchu, mięśni deltowych, łydek itp. A jednocześnie nie pojawią się żadne defekty w tkankach i układach ciała, kręgosłup będzie nie grozi przepuklina, a mięśniom - rozstępy i kwas mlekowy. To prawda, że ​​​​implant może pęknąć ...

Prezentuję film o dwóch najsłynniejszych w internetowym świecie „implantowych sportowcach”, którzy uważają się za nieodparcie pięknych (nie podzielam ich opinii) – brytyjsko-brazylijczyka Rodrigo Alvesa i Amerykanina Justina Jetlika:

Opracowano technologię tworzenia niedrogich sztucznych mięśni w oparciu o sztywną ramę zamkniętą w miękkiej komorze. Mięśnie kurczą się poprzez zmniejszenie znajdującego się w nich ciśnienia, a można je wytworzyć przy użyciu różnych materiałów. Artykuł opublikowany w czasopiśmie Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.

Inżynierowie opracowujący roboty często wykorzystują w swoich wynalazkach konstrukcje przypominające funkcje żywych istot. Mimo to do poruszania się roboty nadal najczęściej wykorzystują silniki elektryczne lub silniki spalinowe połączone ze skomplikowanymi przekładniami mechanicznymi. Niektórzy badacze przyjmują inne podejście i opracowują źródła ruchu, które swoją strukturą są bliższe mięśniom. Istnieje już wiele prototypów sztucznych mięśni, które mogą kurczyć się jak prawdziwe mięśnie, ale prawie wszystkie z nich wymagają drogich materiałów i procesów, a skuteczność wielu z nich jest nadal niska.

Naukowcy pod kierownictwem Roberta Wooda z Uniwersytetu Harvarda opracowali prostą i niedrogą technologię tworzenia skutecznych sztucznych mięśni, które można wykonać z szerokiej gamy materiałów. Koncepcja stworzenia takich siłowników jest dość prosta. Podstawą jest rama o zadanym kształcie, którą można składać i rozkładać. Następnie wokół tej ramy skleja się lub stapia dwa fragmenty folii z polimeru lub innego szczelnego i miękkiego materiału. W ten sposób powstaje miękka komora ze sztywną ramą wewnątrz, która jest połączona ze źródłem różnicy ciśnień.

Jak działają sztuczne mięśnie

Shuguang Li i in. /PNAS, 2017

Sterowanie siłownikiem odbywa się poprzez zmniejszanie lub zwiększanie ciśnienia cieczy lub gazu wewnątrz komory. W rezultacie siłownik zaczyna zmieniać kształt: składać się lub przeciwnie, zwiększać rozmiar, a w przypadku ramy o skomplikowanym kształcie wykonywać inne ruchy - na przykład zginać się w określonym kierunku.

Przykład urządzenia odbierającego

Shuguang Li i in. /PNAS, 2017

Korzystając z tej technologii, badacze stworzyli kilka prototypów siłowników i zmierzyli ich skuteczność. Jeden z tych prototypów, dziesięciocentymetrowy siłownik liniowy ważący niecałe trzy gramy, był w stanie podnieść ładunek ważący ponad trzy kilogramy. Naukowcy obliczyli, że moc szczytowa takich siłowników wynosi około dwóch kilowatów na kilogram masy, co czyni je mocniejszymi od rzeczywistych. mięśnie szkieletowe ssaki.

Wcześniej naukowcy zaprezentowali wiele prototypów sztucznych mięśni, działających w oparciu o różne zasady. Niektóre działają również pod ciśnieniem, na przykład którego główną część stanowi pianka polimerowa pokryta silikonem, a także miękka próżnia z wielu pustych w środku komórek. Inni do swojej pracy wykorzystują ciepło: w ten sposób pracują na bazie nylonowej żyłki wędkarskiej i niedawno wprowadzonej żyłki wypełnionej bąbelkami etanolu, który pod wpływem ciepła zamienia się w gaz i rozszerza się. Ponadto ostatnio zaprezentowano materiał dwuwymiarowy, złożony z wielu warstw, który rozszerza się pod wpływem wprowadzenia do niego obcych jonów. Nawiasem mówiąc, sztuczne mięśnie nie zawsze są wykonane w całości ze sztucznych materiałów. Tajwańskie mięśnie naukowe wykonane z cienkiej warstwy skórki cebuli, która kurczy się pod wpływem prądu elektrycznego.

Grigorij Kopiew

Na horyzoncie pojawiają się błyskotliwe projekty technologiczne, takie jak autopiloty w samochodach czy energia termojądrowa, które prawdopodobnie bardzo poważnie zmienią nasze życie. Są jednak pomysły, które na pierwszy rzut oka są dość dyskretne, a których realizacja może prowadzić do niemal bardziej radykalnych zmian w życiu codziennym. Bardzo najlepszy przykład„tkanka mięśniowa”, która pojawiła się w literaturze science fiction dopiero wtedy, gdy w laboratoriach trwały już pełne prace nad stworzeniem metalowych i polimerowych sztucznych mięśni, m.in. do protez ludzkich.

We współczesnej technologii stosuje się głównie dwie efektywne metody wykonywania pracy mechanicznej: termodynamiczną i elektromagnetyczną. Pierwsza opiera się na wykorzystaniu energii sprężonego gazu, np. w silnikach spalinowych, turbinach parowych i broni palnej. Drugi dotyczy pól magnetycznych wytwarzanych przez prąd elektryczny, czyli działania silników elektrycznych i elektromagnesów. Jednak w naturze żywej stosuje się zupełnie inne podejście do uzyskania ruchu mechanicznego - kontrolowaną zmianę kształtu obiektów. Tak działają mięśnie ludzi i innych żywych istot. Kiedy dociera impuls nerwowy, uruchamiają się w nich reakcje chemiczne, które prowadzą do skurczu lub odwrotnie, do rozciągnięcia włókien mięśniowych.

Zalety takiego „naturalnego” napędu wynikają z faktu, że materiał zmienia się jako całość. Oznacza to, że nie ma żadnych ruchomych względem siebie części, a co za tym idzie, tarcia i zużywania się części. Ponadto zachowana jest integralność organizmu (a dokładniej jego spójność geometryczna). Ruch powstaje na poziomie molekularnym lub, jak to się obecnie modnie nazywa, nanopoziomie w wyniku niewielkiej zbieżności lub odległości od siebie atomów substancji. To praktycznie chroni mięśnie przed bezwładnością, która jest tak charakterystyczna dla wszystkich robotów z silnikami elektrycznymi. Ale oczywiście napęd mięśni ma swoje wady. Jeśli mówimy o żywych mięśniach, jest to ciągłe zużycie składników chemicznych, które należy dostarczać do każdej komórki tkanki mięśniowej. Takie mięśnie mogą służyć jedynie jako część złożonego żywego organizmu. Kolejna wada związana jest ze stopniowym starzeniem się materiału. W żywym organizmie komórki są okresowo aktualizowane, ale w monolitycznym urządzeniu technicznym jest to niezwykle trudne do zapewnienia. Poszukując sztucznych mięśni, naukowcy starają się zachować zalety napędu zmieniającego kształt, unikając jednocześnie jego wad.

Pierwsze badania w dziedzinie sztucznych mięśni były bezpośrednio związane z efektem pamięci kształtu, który jest nieodłącznym elementem niektórych stopów. Został odkryty w 1932 roku przez szwedzkiego fizyka Arne Olandera (Arne Olander) na przykładzie stopu złota i kadmu, jednak przez prawie 30 lat nie przyciągał specjalna uwaga. W 1961 roku całkiem przypadkowo odkryto pamięć kształtu w stopie niklowo-tytanowym, wyrobie, z którego można dowolnie odkształcać, ale po podgrzaniu przywraca swój pierwotny kształt. Niecałe dwa lata później w Stanach Zjednoczonych pojawił się produkt handlowy – stop nitinol, nazwany tak ze względu na skład i miejsce opracowania (NITINOL NiTi Naval Ordnance Laboratories).

Pamięć kształtu zapewniona jest dzięki temu, że sieć krystaliczna nitinolu może znajdować się w dwóch stabilnych stanach (fazach) martenzytycznym i austenitycznym. Powyżej pewnej temperatury krytycznej cały stop znajduje się w fazie austenitycznej z sześcienną siecią krystaliczną. Po ochłodzeniu stop przechodzi w fazę martenzytyczną, w której na skutek zmienionych proporcji geometrycznych komórek sieci krystalicznej staje się plastyczny. Wyrobowi wykonanemu z nitinolu w stanie martenzytycznym przy zastosowaniu niewielkiej siły mechanicznej można nadać niemal dowolną konfigurację, jaką będzie utrzymywał do czasu nagrzania przedmiotu do temperatury krytycznej. W tym momencie faza martenzytyczna staje się niekorzystna energetycznie, a metal przechodzi w fazę austenitu, przywracając swój dawny kształt.

Tak to wygląda w najprostszym przypadku. W praktyce istnieje oczywiście szereg ograniczeń dotyczących odkształceń. Najważniejsze, że nie powinny przekraczać 78%, w przeciwnym razie formy nie można już w pełni przywrócić. Późniejszy rozwój umożliwił tworzenie różne opcje stopy nitinolu. Są na przykład tacy, którzy pamiętają dwie formy na raz, jedna odpowiada wysokim temperaturom, druga niskim. W temperaturach pośrednich materiał można dowolnie odkształcać, ale po podgrzaniu lub schłodzeniu zapamięta jedną ze swoich dwóch form.

Obecnie znanych jest kilkanaście stopów z pamięcią kształtu opartych na różnych pierwiastkach. Jednak rodzina stopów nitinolu pozostaje najpowszechniejsza. Efekt pamięci kształtu w stopach na bazie NiTi jest wyraźnie wyraźny, a zakres temperatur można z dobrą dokładnością regulować w zakresie od kilku do kilkudziesięciu stopni, wprowadzając do stopu różne zanieczyszczenia. Ponadto nitinol jest niedrogi, łatwy w obróbce, odporny na korozję i ma dobre właściwości fizyczne i mechaniczne: na przykład jego wytrzymałość na rozciąganie jest tylko 24 razy mniejsza niż stali.

Być może główną wadą takich stopów przez długi czas był niewielki margines cykliczności. Liczba kontrolowanych odkształceń nie przekraczała kilku tysięcy iteracji, po czym stop utracił swoje właściwości.

W mgnieniu oka

NanoMuscle był w stanie rozwiązać ten problem. Zimą 2003 roku na Międzynarodowych Targach Zabawek w Nowym Jorku zaprezentowała niezwykłą lalkę Baby Bright Eyes. Zabawka bardzo realistycznie odwzorowała mimikę oczu małego dziecka, co jest prawie niemożliwe do osiągnięcia przy pomocy tradycyjnie stosowanych w zabawkarstwie silników mikroelektrycznych – są one zbyt bezwładne. Jednocześnie koszt lalki (w masowej produkcji) oszacowano na zaledwie 50 dolarów, co wyglądało absolutnie fantastycznie.

Tworząc prototypową lalkę, inżynierom NanoMuscle udało się pokonać ograniczenia jazdy na rowerze, wykorzystując nanocząsteczki tytanu i niklu, a także opracowując oprogramowanie, które kontroluje stop w bardziej delikatny sposób, dzięki czemu cykl życia takich nanomięśni przekracza pięć milionów iteracji. Nanocząstki połączono w cienkie włókna o średnicy około 50 mikronów, z których utkano kilkucentymetrowy drut, który mógł zmienić swoją długość aż o 1213% (kolejny rekord).

Powoduje szacunek i siłę urządzenia zwanego NanoMuscle Actuator. Przy tej samej masie nanomięsień może dostarczyć tysiąc razy większą moc niż ludzki mięsień i 4000 razy więcej niż silnik elektryczny, a wszystko to przy prędkości zaledwie 0,1 sekundy. Ale co najważniejsze, dzięki kompozytowej konstrukcji NanoMuscle Actuator nie przeskakuje z jednego stanu w drugi, ale może płynnie poruszać się z zadaną prędkością.

Nanomięśnie używane do poruszania oczami lalki były kontrolowane przez 8-bitowy mikroprocesor i miały napięcie zasilania 1,8 wolta. Jego szacunkowa cena w produkcji przemysłowej nie przekracza 50 centów. Później wprowadzono całą rodzinę tego rodzaju zabawek z dużą liczbą ruchomych elementów. Wkrótce firma venture NanoMuscle została wchłonięta przez szybko rozwijającą się chińską korporację Johnson Electric, która specjalizuje się w produkcji napędów elektrycznych do szerokiej gamy sprzętu, od odtwarzaczy DVD po lusterka samochodowe.

Mniej więcej w tym samym czasie na Uniwersytecie w Teksasie nanotechnolog Ray Baughman odkrył, jak zmusić metalowe mięśnie do pracy bez prądu – bezpośrednio z paliw chemicznych, co może się przydać w systemach o wysokich wymaganiach dotyczących autonomii. Pokrył kabel ze stopu z pamięcią kształtu katalizatorem platynowym i zaczął go przedmuchać mieszaniną par metanolu, wodoru i tlenu. W środowisku gazowym, ze względu na niskie stężenie, reakcja praktycznie nie przebiega, ale na powierzchni pokrytej katalizatorem wydziela się sporo ciepła. Wzrost temperatury spowodował zmianę długości kabla, po czym ustał wypływ metanolu, a po pewnym czasie kabel ostygł i powrócił do pierwotnej długości. Może to nie wydawać się zbyt dobrym pomysłem, ale wcale nie jest konieczne, aby zaangażowane metalowe mięśnie bezpośrednio napędzały kończyny lub koła robota. Jeżeli takich mięśni jest dużo i pracują one naprzemiennie, to napęd okazuje się w miarę stabilny, a w połączeniu posłuży także jako ogniwo paliwowe generujące energię dla elektroniki pokładowej.

Polimery elektroaktywne

Ale metale z pamięcią kształtu nie są jedynym kierunkiem w tworzeniu sztucznych mięśni. Dr Yosef Bar-Cohen z Laboratorium Napędów Odrzutowych NASA opracowuje alternatywną technologię, polimer elektroaktywny (EAP), i otrzymał już 18 patentów i dwa medale NASA w tej dziedzinie. Na początku 2001 roku w jego laboratorium znajdowały się dwa rodzaje sztucznych mięśni.

Jedną z nich są taśmy polimerowe wykonane z węgla, tlenu i fluoru. Po przyłożeniu prądu elektrycznego rozkład ładunków na powierzchni takiej taśmy zmienia się i ulega ona wygięciu. Laboratorium doktora Bar-Cohena pokazało już reporterom proste czteropasmowe ramię, które pozwala chwycić niewielki przedmiot i podnieść go z ziemi (w przyszłości ma on pochodzić z powierzchni innej planety). Oczywiście złożoność i różnorodność możliwych ruchów takiego chwytaka zależy jedynie od konfiguracji taśm polimerowych. Na filmie ruch takich polimerowych mięśni wygląda zupełnie nietypowo: zaciśnięte w imadle pasma nagle zaczynają się uginać w górę i w dół, początkowo powoli, jak płatki kwiatów, ale potem szybciej i częściej, a teraz nie są już nawet widoczne jak skrzydła komara w locie.

Urządzenia drugiego typu różnią się geometrią: płytki EAP zwijane są w tuby niczym liście tytoniu w cygarze. Po przyłożeniu napięcia rurki są ściskane i ściskają elastyczny rdzeń, powodując jego rozciągnięcie. NASA ma nadzieję, że takie urządzenia uda się zastosować w nowej generacji łazików planetarnych. Na przykład zamiast wysyłać jeden lub dwa ciężkie pojazdy kołowe, w ramach jednego z projektów zaproponowano rozrzucenie wokół miejsca lądowania setek balonów za pomocą czujników, kart sieci bezprzewodowych i sztucznych siłowników mięśniowych typu 2, które umożliwią balonom przeskakiwanie z miejsca na miejsce. Umożliwi to szybkie i niedrogie zbadanie całego terytorium jednocześnie. Nawiasem mówiąc, nowoczesne modele EAP zapewniają już czas reakcji poniżej 0,1 sekundy, dwukrotne wydłużenie popychacza i siłę 1000 razy większą od masy Ziemi, która jest wystarczająca do skoków na odległe planety.

Dwa lata temu Bar-Cohen i kilku szefów konkurencyjnych laboratoriów postanowili zorganizować mały pokaz promujący swoje wynalazki – turniej siłowania się na rękę ze sztuczną ręką. W notatce prasowej wydarzenie zostało poprzedzone tak zdecydowanym stwierdzeniem: „Jeśli zwycięży zautomatyzowane ramię, otworzy to drzwi do wielu nowych technologii w medycynie, wojskowości, a nawet przemyśle rozrywkowym”.

Organizatorzy turnieju pozostawili wybór przeciwnika, a raczej rywala, telewidzom, a wybrali licealistkę Pannę Felsen, która przy swojej szkole w San Diego założyła klub robotyki. Musiała rywalizować trzema sztucznymi rękami, według zasad zbliżonych do klasycznych. Ich przestrzeganie nadzorowało dwóch zawodowych zapaśników na rękę. Spektakl zakończył się sukcesem, ale trochę ochłodził niektórych pasjonatów: żadna ręka nie była w stanie przeciwstawić się bezwarunkowo pięknej, ale delikatnej dziewczynie.

Jej pierwszą konkurentką był manipulator amerykańskiej firmy Environmental Robots Incorporated z dwoma sztucznymi mięśniami. Pojedynek z robotem trwał 24 sekundy. Drugi i trzeci zawodnik przetrwali odpowiednio zaledwie 4 i 3 sekundy. Turniej ujawnił, oprócz problemów czysto energetycznych, które zawsze można rozwiązać poprzez zwiększenie liczby płyt polimerowych, oraz inne poważne wady urządzeń. Na przykład trzecia ręka, stworzona w Virginia Tech, do aktywacji polimeru wykorzystywała procesy chemiczne, a nie impulsy elektryczne. Według jego twórców takie rozwiązanie jest znacznie bardziej naturalne dla przyszłego wdrożenia sztucznych mięśni. Jednak podczas pokazu w pełni ujawniła się powolność mechanizmu aktywacji chemicznej: sztuczny mięsień zaczął pracować zaledwie kilka sekund po rozpoczęciu walki, więc manipulator został pokonany jeszcze zanim wszedł w tryb pracy.

Mistrz dzieciństwa

Jednym z poważnych konkurentów grupy Bar-Cohen jest firma Artificial Muscle, która niezwykle poważnie podchodzi do swojej misji: „Wprowadzić na rynek dyski półprzewodnikowe, które zrobią z silnikami i pompami to samo, co półprzewodniki zrobiły z lampami próżniowymi”. Jako dyski „solid-state” firma Artificial Muscle wykorzystuje te same polimery elektroaktywne, jednak aby odróżnić się od konkurencji, używa innego skrótu EPAM (Electroactive Polymer Artificial Muscle). Według twórców sztuczne mięśnie w przyszłości przewyższą wszystkie inne napędy mechaniczne elektromagnetyczne, pneumatyczne, hydrauliczne i piezoelektryczne pod każdym względem: kosztem, hałasem, prędkością, wagą i gęstością mocy.

Ale to przyszłość, ale na razie jednowarstwowy sztuczny mięsień z polimeru EPAM jest w stanie wytworzyć siłę zaledwie 0,5 niutona (waga 50-gramowego odważnika kettlebell). To prawda, że ​​​​dodając dziesiątki takich warstw, można uzyskać dość znaczący efekt. Urządzenia tego typu są już oferowane producentom aparatów fotograficznych np. jako napędy do mechanizmu autofokusa.

Sztuczne mięśnie rozwijają się błyskawicznie, jednak wiele efektów jest już ukrytych za zasłoną tajemnicy handlowej, dlatego trudno mówić o tym, jakie wskaźniki są obecnie rekordowe. Ale na przykład deklarowana przez Artificial Muscle zdolność do wytrzymania do 17 tysięcy cykli rozciągania i ucisku na sekundę ma duże szanse stać się rekordem prędkości w świecie sztucznych mięśni. A także zdolność materiału polimerowego do 3,8-krotnej zmiany długości, osiągnięta w firmowym laboratorium. Oczywiście taka „kpina” z substancji nie może trwać długo, a jeśli wymagane jest, aby polimerowy mięsień niezawodnie pracował miliony razy, nie powinien zmieniać swojej długości o więcej niż 15%. Przynajmniej na obecnym poziomie rozwoju tej branży.

Zbroja elektromięśniowa

Jednak szlachetne zainteresowania naukowe specjalistów takich jak dr Josef Bar-Cohen nie dorównują możliwościom finansowym i technicznym laboratoriów, które nie gardzą pracą dla wojska, takich jak BAE Systems. Firma ta realizuje zamówienia wojskowe dla niemal wszystkich rozwiniętych technicznie krajów świata, dlatego też informacje o jej rozwoju pojawiają się dość często, pomimo zachowania tajemnicy.

Tym razem do wycieku doszło za pośrednictwem małej brytyjskiej firmy HP White Laboratory, która zajmuje się głównie badaniem wytrzymałości systemów ochronnych: pancerzy, szyb kuloodpornych, kamizelek kuloodpornych. Zgodnie z brytyjskim prawem informacje o działalności firm wojskowych i medycznych nie mogą być całkowicie ukrywane za tajemnicą patentów, dlatego też według ich raportów można pośrednio śledzić rozwój nowych osiągnięć w sferze militarnej. Tym razem badacze zaproponowali wykorzystanie zasady EAP do stworzenia „pancerza wielonaprężeniowego”, czyli wielowarstwowej struktury dużej liczby taśm polimerowych przeplatanych mikrocząstkami mocnej ceramiki i cząstkami namagnesowanymi w określony sposób. Pocisk trafiający w pancerz powoduje początkową deformację i powoduje gwałtowne przemieszczenie namagnesowanych cząstek. Z powodu indukcji zwarcie impuls elektryczny, co powoduje ściskanie taśm polimerowych, radykalnie zwiększając wytrzymałość pancerza, ponieważ cząstki osadzonej ceramiki pancernej mają określoną sylwetkę, która pozwala im przylegać do ciągłej powłoki po ściśnięciu.

Najważniejszą zaletą tego systemu jest to, że maksymalna „gęstość” pancerza kształtuje się właśnie w miejscu uderzenia pocisku, stopniowo zmniejszając się po bokach. Dzięki temu energia kinetyczna pocisku rozkłada się równomiernie na niemal całej powierzchni kamizelki kuloodpornej. Pancerz okazał się, choć bardziej obszerny, ale znacznie lżejszy niż współczesne analogi. Jeżeli wcześniej zwrócisz kamizelkę kuloodporną z karabin automatyczny nie zabił człowieka, ale miał gwarancję wyłączenia go z akcji na co najmniej kilkadziesiąt minut, wówczas według wstępnych obliczeń nowy system ochronny nie pozostawi nawet krwiaków na ciele żołnierza.

Do chwili obecnej sztuczne mięśnie były stosowane głównie w określonych obszarach, które tradycyjnie cieszą się silnym wsparciem rządowym. Badania cywilne, a nawet medyczne pozostają wyraźnie w tyle za wojskiem. Twórcy sztucznych mięśni pilnie strzegą tajemnicy ich produkcji. Przykładowo Artificial Muscle nikomu nawet nie sprzedaje swoich taśm polimerowych, a jedynie gotowe dyski na ich bazie. W pewnym momencie sytuacja okazała się na tyle skandaliczna, że ​​grupa Bar-Cohena po prostu wzięła i opublikowała na swojej stronie internetowej kilka prostych przepisów na wytwarzanie polimerów elektroaktywnych, aby do prac mogła włączyć się większa liczba niezależnych badaczy. Pierwsze publiczne urządzenia wykorzystujące główne cechy sztucznych mięśni pojawią się już w najbliższej dekadzie i mają wszelkie szanse stać się rewolucyjną innowacją, która toruje drogę do powstania tanich, wielofunkcyjnych, samobieżnych robotów domowych. I nie tylko roboty. Według dr Bar-Cohena rozwój tej technologii bardzo przypomina rozkwit wynalazczy przełomu XIX i XX wieku: materiały są łatwo dostępne, eksperymenty i badania może wykonywać każdy myślący student, a środki finansowe koszty są minimalne.

Pozostaje więc uzbroić się w cierpliwość i za dziesięć lat gruntownie wstrząsnąć zawartością półki z książkami science fiction, aby pozbyć się książek beznadziejnie przestarzałych technicznie.

sztuczny mięsień to ogólny termin używany do określenia siłowników, materiałów lub urządzeń imitujących naturalne mięśnie i mogących odwracalnie kurczyć się, rozszerzać lub obracać w obrębie pojedynczego elementu pod wpływem bodźca zewnętrznego (takiego jak napięcie, prąd, ciśnienie lub temperatura). Trzy podstawowe reakcje aktywacji – kurczenie się, rozszerzanie i obrót – można połączyć w jednym elemencie, aby wytworzyć inne typy ruchów (np. zginanie, kurczenie się jednej strony materiału przy jednoczesnym rozszerzaniu drugiej strony). Konwencjonalne silniki i pneumatyczne siłowniki liniowe lub obrotowe nie kwalifikują się jako sztuczne mięśnie, ponieważ w uruchamianiu bierze udział więcej niż jeden element.

Dzięki dużej elastyczności, wszechstronności i stosunkowi mocy do masy w porównaniu z tradycyjnymi sztywnymi napędami, sztuczne mięśnie mogą stać się nową, wysoce przełomową technologią. Choć obecnie technologia ta ma ograniczone zastosowanie, może mieć w przyszłości szerokie zastosowanie w przemyśle, medycynie, robotyce i wielu innych dziedzinach.

Porównanie z naturalnymi mięśniami

Chociaż nie ma ogólnej teorii umożliwiającej porównanie siłowników, istnieją „kryteria mocy” dla technologii sztucznych mięśni, które pozwalają na specyfikację nowych technologii siłowników w porównaniu z właściwościami naturalnych mięśni. Zatem kryteria obejmują naprężenie, naprężenie, szybkość odkształcania, cykl życia i moduł sprężystości. Niektórzy autorzy biorą pod uwagę inne kryteria (Huber i in., 1997), takie jak gęstość napędu i rozdzielczość odkształceń. Od 2014 r. najpotężniejsze istniejące sztuczne włókna mięśniowe mogą zapewnić stukrotny wzrost mocy w stosunku do równoważnej długości naturalnych włókien mięśniowych.

Naukowcy mierzą prędkość, gęstość energii, moc i wydajność sztucznych mięśni; żaden rodzaj sztucznego mięśnia nie jest najlepszy we wszystkich obszarach.

Typy

Sztuczne mięśnie można podzielić na trzy główne grupy w zależności od ich mechanizmu uruchamiania.

Pole uruchamiania elektrycznego

Polimery elektroaktywne (EPP) to polimery, które można aktywować poprzez zastosowanie pól elektrycznych. Obecnie najbardziej znane obejmują piezoelektryczne EAP z polimerów, siłowniki dielektryczne (Deas), elastomery szczepione elektrostrykcyjnie, elastomery ciekłokrystaliczne (LCE) i polimery ferroelektryczne. Chociaż te EAP można zginać, ich niska nośność przy ruchu obrotowym ogranicza obecnie ich użyteczność jako sztucznych mięśni. Co więcej, bez przyjętego standardowego materiału do budowy urządzeń EAP komercjalizacja pozostaje niepraktyczna. Jednakże od lat 90. XX wieku nastąpił znaczny postęp w technologii EAP.

Uruchamianie oparte na jonach

Jonowe PPM to polimery, które można zasilać poprzez dyfuzję jonów w roztworze elektrolitu (oprócz zastosowania pól elektrycznych). Aktualne przykłady jonowych polimerów elektroaktywnych obejmują żele polielektrodowe, polimer jonomerowy, metalowe materiały kompozytowe (IPMC), polimery przewodzące i płyny elektroreologiczne (ERF). W 2011 roku wykazano, że skręcone nanorurki węglowe można również zasilać za pomocą pola elektrycznego.

Elektryczna moc uruchamiania

Kontrola chemiczna

Polimery chemomechaniczne zawierające grupy wrażliwe na pH lub służące jako selektywne miejsce rozpoznawania określonych związków chemicznych mogą służyć jako elementy uruchamiające i czujniki. Odpowiednie żele pęcznieją lub kurczą się odwracalnie w odpowiedzi na takie sygnały chemiczne. Do polimerów tworzących żel można włączyć szeroką gamę supramolekularnych elementów rozpoznających, które mogą wiązać i wykorzystywać jony metali, różne aniony, aminokwasy, węglowodany itp. jako inicjatory. Niektóre z tych polimerów wykazują reakcję mechaniczną tylko wtedy, gdy obecne są dwie różne substancje chemiczne lub inicjatory, dzięki czemu działają jak bramki logiczne. Takie polimery chemomechaniczne są również obiecujące w zakresie [[ukierunkowanego dostarczania leków | ukierunkowane dostarczanie leku]]. Polimery zawierające elementy pochłaniające światło mogą służyć jako sztuczne mięśnie kontrolowane fotochemicznie.

Aplikacje

Technologie sztucznych mięśni mają szerokie zastosowanie w maszynach biomimetycznych, w tym robotach, siłownikach przemysłowych i egzoszkieletach. Sztuczne mięśnie EAP oferują połączenie lekkości, niskiego zużycia energii, stabilności i zwrotności w zakresie lokomocji i manipulacji. Przyszłe urządzenia EAP będą miały zastosowanie w lotnictwie, motoryzacji, medycynie, robotyce, mechanizmach artykulacyjnych, rozrywce, animacji, zabawkach, odzieży, interfejsach dotykowych i dotykowych, kontroli hałasu, czujnikach, generatorach i inteligentnych strukturach.

Pneumatyczne sztuczne mięśnie zapewniają także większą elastyczność, kontrolę i lekkość w porównaniu do konwencjonalnych cylindrów pneumatycznych. Większość zastosowań PAM wymaga użycia mięśni typu McKibben. Siłowniki termiczne, takie jak SMA, mają różne zastosowania wojskowe, medyczne, bezpieczeństwa i robotyki, a ponadto mogą być wykorzystywane do wytwarzania energii poprzez mechaniczną zmianę kształtu.

Naukowcy od dawna opracowują sztuczne mięśnie, w zależności od obszaru, w którym pracują. Tak więc w dziedzinie robotyki miękkie silniki elektrostatyczne są stosowane od dawna, ale naukowcom biomedycznym z Duke University udało się wyhodować tkanki mięśniowe o elastyczności, sprężystości i sile mięśni naturalnego pochodzenia.

Jednak naukowcy zajmujący się biomedycyną tworzyli już podobne rzeczy już wcześniej, ale nowy rozwój naukowców okazał się najciekawszy. Rzecz w tym, że inżynierom biomedycznym udało się stworzyć mięśnie, które po wszczepieniu organizmom potrafią się regenerować w przypadku uszkodzenia.

Naukowcy rozpoczęli prace w tej dziedzinie wiele lat temu, ale nawet teraz borykają się z różnymi problemami. Jednym z problemów jest to, że dość łatwo jest wyhodować tkankę mięśniową, ale znacznie trudniej jest nadać jej wszystkie cechy prawdziwej tkanki mięśniowej lub ją przewyższyć.

„Stworzony przez nas w zakresie produkcji różnorodnych tkanin sztucznych. Jest to pierwszy sztuczny mięsień, który ma siłę i inne cechy mięśnia występującego naturalnie, który jest zdolny do samoregeneracji i który można przeszczepić praktycznie każdemu rodzajowi żywej istoty.— Nenand Bersak, badacz na Uniwersytecie Duke

Stosując nową technikę opracowaną przez naukowców uniwersyteckich, inżynierom udało się uporządkować włókna wyhodowanej tkanki w jednym kierunku, co nadaje nowym mięśniom siłę i elastyczność. Co więcej, w procesie wzrostu włókien tkankowych naukowcy biomedyczni pozostawili między nimi puste przestrzenie i umieścili między nimi mięśniowe komórki macierzyste. Zatem po uszkodzeniu komórki macierzyste zamieniają się w komórki tkankowe, a tkanka zostaje odbudowana. Co ciekawe, proces regeneracji zostaje aktywowany również w przypadku uszkodzenia tkanki przez toksyny.

Aby przetestować działanie sztucznych mięśni, naukowcy umieścili je w szklanej skorupie wszczepionej w grzbiet zwierzęcia doświadczalnego. Warto dodać, że przed rozpoczęciem testu naukowcy zmodyfikowali mięśnie na poziomie genów, aby podczas skurczu mogły wytwarzać błyski światła fluorescencyjnego. Po dwóch tygodniach naukowcy zarejestrowali emitowane światło i odkryli, że błyski światła zwiększały intensywność i stawały się silniejsze, równolegle ze wzrostem siły mięśni.

Obecnie naukowcy badają problem wykorzystania sztucznych tkanek mięśniowych do mięśni uszkodzonych w wyniku urazów lub chorób u ludzi lub zwierząt. Eksperci mają nadzieję, że w niedalekiej przyszłości taką technologię będzie można zastosować nie tylko do przywracania uszkodzeń tkanki mięśniowej człowieka, ale także do przywracania siły i mobilności zdegradowanym mięśniom ludzi, którzy będą jej potrzebować.