Skip to content

20.02.2015

РОБОТЫ И СОЗДАТЕЛИ, ПЛАНЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ …

Наномышцы, как основа роботостроения
В США создан уникальный по своей прочности и теплостойкости материал из графитовых нанотрубок, заполненных парафином

Уникальные по своей прочности и теплостойкости нити из графитовых нанотрубок, заполненных парафином, созданы известным материаловедом Рэем Бэкменом, являющимся иностранным членом Российской академии естественных наук (РАЕН).
Мышцы суперкиборга

Создан материал для искусственных мускулов, способных одинаково хорошо работать в жидком азоте и расплавленном железе. Гель чуть тяжелее воздуха… →

Ученые Техасского университета в Далласе продолжают работу над созданием искусственных наномышц. Проектом руководит Рэй Бэкмен, известный специалист в области материаловедения (70 патентов в США, 310 научных публикаций с количеством цитирований более 18 000), иностранный член РАЕН и, как говорится на его сайте, лауреат медали имени Капицы этой академии.

В работе под руководством Бэкмена также участвуют специалисты из Австралии, Китая, Южной Кореи, Канады, Бразилии и Украины. Три года назад «Газета.Ru» рассказывала о разработке Бэкмена и его коллег — материале для искусственных мышц, способном одинаково хорошо работать в жидком азоте и расплавленном железе. Та разработка представляла собой более жёсткую, чем сталь, и более эластичную, чем резина, ленту из многостенных углеродных нанотрубок; лента способна расширяться и сжиматься за миллисекунды, хорошо проводит ток и превосходно работает в диапазоне температур от минус 200 до плюс 1600 градусов по Цельсию.

Теперь Бэкмену и коллегам удалось создать непосредственно сами искусственные мышцы.

Для этого они опять-таки использовали углеродные нанотрубки, скрутив их в одну большую нить (мышцу). При этом нанотрубки ученые не оставили полыми, а поместили в них парафин.

 

 

Углеродная нанотрубка // University of Texas at Dallas

Сами нанотрубки состоят из графита — такого, как если бы его взяли из обычного карандаша. Графит является одной из аллотропных (аллотропия — существование одного и того же химического элемента в виде двух и более простых веществ, различных по строению и свойствам) модификаций углерода и под микроскопом выглядит как очень плоский слоеный торт. Слоистость обеспечивает материалу достаточную пластичность, чтобы его структура не была повреждена при свертывании в спираль. Парафин, которым заполнили полости нанотрубок, ничем не отличается от свечного. Размер получившейся мышцы достаточно компактен: ее диаметр составляет 20—200 нм (2—20•10-8 м), что в тысячу—десять тысяч раз меньше диаметра обычного человеческого волоса (100 мкм = 10-4 м). При этом по прочности нить-мышца превосходит сталь приблизительно в сто раз.

Примечательно, что целиком нить являет собой цельную структуру, без швов и разрезов, так что порезаться о нее очень легко.

«Разработанные нами искусственные мышцы способны производить сверхбыстрые сокращения и позволяют поднимать вес, в 200 раз превышающий тот, который могли бы поднять естественные, — говорит Рэй Бэкмен. — Несмотря на то что спектр применения искусственных мышц достаточно широк, пересадить их человеку пока невозможно».

Полученные мышцы оказались способны поднимать вес в сотни тысяч раз больше собственного, не теряя при этом эластичности. Механическая энергия, вырабатываемая в ходе сокращений, превышает человеческую в 85 раз. То есть робот с подобными мышцами мог бы заменить небольшой подъемный кран.

В работе, опубликованной в пятницу в журнале Science, рассказано о создании такой мышцы и исследовании ее свойств. В ходе исследования ученые закрепили неподвижно один конец мышцы, на другой повесили микрогирю и подвергли нить нагреву с помощью лазера. Графит обладает хорошей теплопроводностью, что позволяет быстро нагревать парафин внутри нанотрубок. В процессе нагрева парафин начинает расширяться. За счет давления парафина углеродная трубка увеличивается в объеме, но ее длина при этом уменьшается — происходит сокращение. Этот процесс занимает приблизительно 0,025 секунды. Плотность энергии сокращения такой нити составляет около 4,2 кВт/кг, что в четыре раза больше отношения мощности к весу двигателя внутреннего сгорания.

Закрученная наномышцы Рэя Бэкмена // Science/AAAS
«В России всегда любили юродивых»

Лауреат Нобелевской премии по физике Андрей Гейм объяснил, почему до сих пор он не запатентовал графен, и прокомментировал заявления Виктора Петрика о… →

«Когда мы нагревали светом или током такую нить, то наблюдали, как она начинает вращаться и раскручиваться. При охлаждении нитей вращение прекращается. Скорость вращения достигает 11 500 оборотов в минуту и более чем 2 миллиона возобновляемых циклов раскрутки.

Крутящий момент мышцы получается больше, чем у электромотора», — рассказал руководитель проекта.

В ближайших перспективах эту разработку Техасского технологического университета планируется использовать для создания роботов, микроскопических моторов и клапанов. Также планируется применение в области хирургии — для создания инвазивных катетеров при различного рода операциях. Бэкмен рассчитывает, что разработка будет успешной не только для применения в научных целях, но и в индустрии детских игрушек.

Поскольку нановолокна достаточно эластичны и могут быть спрядены в нити, у ученых возникла идея создания одежды, реагирующей на условия внешней среды.

Например, возможно создать скафандр, защищающий от внешних температурных или химических воздействий.
Наноплащ, наношина и другие солдатские нанотехнологии

Американские ученые работают над созданием «обмундирования будущего» — сверхлегкого «комбинезона», не только… →

В зависимости от температуры или наличия тех или иных отравляющих веществ в воздухе парафин внутри нанотрубок меняет свой объем, регулируя тем самым проницаемость скафандра.

Впрочем оказалось, что мышцы из нанотрубок и без парафина внутри них представляют собой интересный материал. Ученые смотали такую мышцу в катушку и начали нагрев.

 

 

Оказалось, что коэффициент теплового расширения увеличился в десять раз, но остался при этом все равно отрицательным.

Авторами работы сделан вывод, что если нагревать катушку в инертной атмосфере от 50 до 2500 градусов Цельсия, то работоспособность ткани обеспечивается более чем на 7%. То есть такой материал можно использовать при температурах порядка 1000—1500 градусов, что близко к температуре плавления стали.

По словам Бэкмена, ресурсы университета позволяют изготовить километр полотна — в данный момент ученые Техасского университета в Далласе настроены на скорейшую коммерциализацию проекта.

 

 

 

Никита Сафонов

_________________________
__________________________________________________



« »

Share your thoughts, post a comment.

(required)
(required)

Note: HTML is allowed. Your email address will never be published.

Subscribe to comments