Появились искусственные мышцы из человеческих белков. Это будущее имплантатов
Исследователи разработали новый тип искусственных мышц с использованием натуральных белков. Они биосовместимы.
Читайте «Хайтек» в
Новые мышцы реагируют на изменения в окружающей среде и сокращаются по требованию, поэтому их удобно применять в имплантах, для протезирования или робототехники.
Искусственные мышцы — это новая многообещающая технология, сейчас исследователи используют для их производства пластик, нейлон, резину, воскообразные углеродные нанотрубки и так далее. Такие материалы подходят, если мышцы встраивают в роботов. Но авторы новой работы решили использовать натуральные белки, чтобы готовый продукт был биосовместим.
Ученые создали искусственные мышцы из эластина — натурального белка, который придает тканям, например, коже и кровеносным сосудам, эластичность. Так, авторы изобрели два варианта белка, которые реагируют на различные раздражители — колебания температуры и кислотности. Затем ученые объединили их в слои, чтобы создать мышцу, которая будет сгибаться в одном направлении в ответ на один стимул и в другом направлении, когда применяется другой стимул.
В результате получилась искусственная мышца, ее питают сульфитом натрия и она ритмично двигается благодаря колебательной химической реакции. Этот процесс можно запустить при температуре 20 °C, дальше изменения в балансе рН заставляют мышцы сокращаться. Цикл можно отключить, если изменить температуру.
Команда отмечает, что этот новый тип искусственных мышц является биосовместимым, поэтому его можно подобрать к конкретным тканям и использовать для имплантатов или реконструктивной медицины.
В МТИ создали искусственные мышечные волокна из нейлона
Искусственные мышцы – материалы, способные сжиматься и сокращаться подобно мышечным волокнам. Их можно использовать во многих областях: от компонентов робототехники до автомобилестроения и авиационной промышленности. Исследователи из Массачусетского технологического института заявили, что разработали самую простую и дешевую систему для создания таких «мышц».
Ключевой компонент, из которого ученые МТИ сделали волокна искусственных мышц – недорогие и широко распространенные волокна нейлона. Новый подход к использованию этого материала заключается в формировании и нагревании волокон определенным образом.
Ранее исследователи разработали принцип использования закрученных спиралей нейлоновых нитей, чтобы имитировать поступательную работу мышц. Они показали, что в конкретном размере и весе такие устройства могли расширяться и сжиматься, хранить и высвобождать больше энергии, чем естественные мышцы. Но повторить изгибающие движения пальцев и конечностей человека – более сложная задача. Как утверждают исследователи МТИ, до них еще никому не удавалось решить эту проблему просто и дешево.
Существуют материалы, которые можно использовать для воспроизводства изгибающихся движений в биомедицинских устройствах или тактильных дисплеях. Но чаще всего эти материалы «экзотические» и дорогие, их сложно производить. Например, нити углеродных нанотрубок – долговечный материал, способный выдержать более миллиона циклов сжатия, но все еще слишком дорогой для широкого применения. Сплавы с эффектом памяти формы обеспечивают прочное натяжение, но выдерживают всего 1000 циклов.
В новой системе используется дешевый материал и простой процесс производства. Нейлон выдерживает достаточное количество циклов благодаря способу формирования нейлоновых волокон. Некоторые материалы из полимерных волокон, в том числе нейлон, обладают необычным свойством: при нагревании они уменьшаются в длину, но расширяются в диаметре. Некоторые ученые использовали это свойство чтобы создать устройства линейного привода. Но чтобы превратить линейные поступательные движения в изгибы, необходимы устройства вроде механического блока или намоточного барабана. Это прибавляет сложности и увеличивает расходы. Команда МТИ собиралась использовать непосредственно силу движения без дополнительных механических деталей.
Читайте также: Журнал сумки из джинсовой ткани
У линейных приводов, изготовленных из полимерных материалов, есть один существенный недостаток: чтобы вызвать сокращение, материал нужно охладить. Скорость охлаждения может быть ограничивающим фактором. Однако ученые поняли, что этот недостаток может стать преимуществом. Выборочный нагрев одной стороны волокна заставляет его сокращаться быстрее, чем тепло доходит до противоположной стороны. Таким образом нить может отклоняться в сторону. Как отмечает кандидат наук Сейед Мирвакили, ведущий автор исследования, нужно было добиться сочетания двух свойств: высокого напряжения (натяжения сокращения) и низкой теплопроводности.
Чтобы заставить эту систему работать эффективно в качестве искусственных мышц, сечения волокна нужно тщательно обработать. Чтобы изменить поперечное сечение с круглого до прямоугольного или квадратного, команда как бы «расплющивала» их. Затем ученые нагревали одну сторону, что заставляло волокно сгибаться. Изменение направления нагревания привело к тому, что волокно исполняло более сложные движения. В лабораторных тестах команда использовала этот метод нагревания, чтобы заставить волокна выполнять круговые движения и «восьмерки». По словам ученых, волокна могут двигаться и по более сложным траекториям.
В качестве источника тепла подойдет электрический резистивный нагреватель, химические реакции или лазерный луч, который испускается на нити. В некоторых экспериментах исследователи наносили на волокна специальную электропроводную краску и удерживали на одном месте с помощью связующих смол. Под напряжением нагревалась только часть волокна, покрытая краской. Нагреваясь с одной стороны, волокно могло отклоняться в сторону. Если нагреть его с противоположной, нить возвращается в исходное положение.
Исследования показали, что материал выдерживает не менее 100 тысяч циклов изгибов и может сокращаться и расслабляться до 17 раз в секунду. По мнению Яна Хантера, одного из авторов исследования, такие волокна подойдут для производства одежды, которая будет сокращаться, чтобы приспособиться к контурам тела человека. Тогда производители могли бы сократить размерную линейку, повышая комфорт и упрощая подгонку. Из гнущихся волокон можно делать обувь, которая будет сидеть точно по ноге, а ее жесткость и форма будет с каждым шагом регулироваться.
Систему можно использовать для производства самонастраивающихся катетеров и других биомедицинских устройств. В долгосрочной перспективе можно создать механические системы, вроде внешних панелей для автомобилей. Панели из волокон отрегулируют аэродинамическую форму, чтобы адаптироваться к изменениям в скорости и ветре. Или их можно применить в качестве автоматических “систем слежения” для солнечных батарей. Они бы использовали избыток тепла, чтобы контролировать направленность батарей в сторону Солнца.
Научная работа опубликована в журнале Advanced Materials 23 ноября 2016 года
DOI: 10.1002/adma.201604734
Искусственные мышцы получились даже лучше обычных: в чем секрет?
Для разработки новых и продвинутых технологий срабатывания в мягкой робототехнике (направлении, нацеленном на конструирование роботов из совместимых мягких материалов, подобных тканям живых существ) нередко используются принципы биомиметики (биомимикрии). Эти принципы подразумевают имитацию движения мышц человека приводами машинных механизмов. Но, например, гидравлические и электрические двигатели довольно производительны, при этом жесткость не позволяет широко их использовать именно в робототехнике.
В университете Северной Аризоны (NAU) разработали искусственную мускулатуру с высокой эффективностью. Новая разработка на основе гидравлического привода обеспечивает более человекоподобные движения благодаря ее гибкости и способности адаптироваться и даже опережает человеческие мышцы по ряду характеристик.
Сами исследователи назвали новые приводы «каватаппи» из-за их схожести с одноименной разновидностью итальянской пасты, коротких рифленых спиралей с небольшим числом витков.
Читайте также: Мастер класс картин цветов из ткани
Гидравлический привод искусственных мышц изготовлен из недорогих полимерных трубок. Срабатывание происходит в результате воздействия на трубки: сначала они вытягиваются, что усиливает анизотропию их микроструктуры, а затем скручиваются и по спирали сматываются.
После вытягивания и скручивания гидравлическое или пневматическое давление внутри трубки приводит к локальному раскручиванию спиральной микроструктуры. Это раскручивание проявляется как сокращение шага спирали.
При наличии источника гидравлической или пневматической активации эти устройства могут существенно превосходить аналогичные технологии срабатывания с термической активацией в отношении ширины полосы срабатывания, эффективности, моделирования и управляемости, а также в практической реализации. Разработка способна генерировать больше энергии, поэтому хороша для робототехники.
Уже на начальном этапе разработчики продемонстрировали, что мускулатура каватаппи сокращается более чем на 50% от своей первоначальной длины, а эффективность механического сокращения составляет около 45%. Кроме того, искусственные мышцы каватаппи имеют максимальную удельную теплоту и мощность 0,38 кДж/кг и 1,42 кВт/кг соответственно. Это, в свою очередь, в 10 и 5 раз выше, чем у скелетной мускулатуры в теле человека. Дальнейшее развитие этой технологии, по мнению ученых, приведет к еще более высокой производительности.
Изначально скрученные полимерные трубки, лежащие в основе новой технологии, считались революционной идеей — приводы с ними были мощными, легкими и дешевыми. Но они были медленными и очень неэффективными, так как требовали нагрева и охлаждения. А их эффективность вообще составляла всего около 2%.
Мышцы каватаппи позволяют обойти эти недочеты, так как в разработке используется жидкость под давлением для приведения их в действие. И по этой причине есть все шансы, что технология будет широко использоваться в «мягкой» робототехнике, обычных роботизированных приводах (например, для шагающих роботов), а также в экзоскелетах.
Пропитанные гидрогелем спирали превратили в искусственные мышцы
G.M. Spinks et al. / Science Robotics, 2021
Австралийские инженеры разработали искусственные мышечные волокна, принцип работы которых имитирует возможности молекул ДНК многократно скручиваться в спирали, значительно уменьшая свои размеры. Мышцы состоят из закрученных пар полиэфирных нитей с применением гидрогеля, который при изменении величины pH окружающей среды способен набухать, что приводит к увеличению объема нитей и, при зафиксированных концах, к дальнейшему их скручиванию в петли и сокращению мышечной нити. Эксперименты показали, что новые искусственные мышечные волокна способны сокращаться на 90 процентов от исходной длины и превосходят мышцы млекопитающих более чем в 30 раз по величине производимой работы на единицу массы. Авторы надеются, что в будущем их разработка пригодится при создании микророботов и микроинструментов, например для выполнения малоинвазивных хирургических операций. Статья опубликована в журнале Science Robotics.
Стремление инженеров к миниатюризации роботов особенно актуально в области медицины, так как уменьшение размеров инструментов, используемых для выполнения медицинских процедур и хирургических операций может уменьшить нежелательное воздействие на организм пациента. Однако традиционно используемые типы актуаторов, например электромоторы, накладывают ограничение на минимальный размер микроинструментов, так как их трудно сделать достаточно маленькими без потери производительности. В качестве альтернативы инженеры разрабатывают актуаторы, имитирующие работу мышц животных, и которые могут даже в малых масштабах сохранять высокую эффективность. В последние годы стала набирать популярность технология изготовления искусственных мышц из синтетических нитей.
Инженеры из австралийского Университета Вуллонгонг под руководством Джеффри Спинкса (Geoffrey Spinks) создали прототип искусственных мышц, для которых также используются синтетические скрученные нити. В основу работы лег принцип скручивания, который наблюдается в молекулах ДНК, и который, как считают авторы разработки, позволит искусственным мышцам совершать большую работу на единицу массы, чем обычные скелетные мышцы млекопитающих.
Читайте также: Основы регенерации костной ткани
G.M. Spinks et al. / Science Robotics, 2021
Процесс сжатия и растяжения в зависимости от времени
G.M. Spinks et al. / Science Robotics, 2021
Прототипы микроинструментов для демонстрации работы мышечных актуаторов: ножницы и пинцет
G.M. Spinks et al. / Science Robotics, 2021
Известно, что полимерные молекулы ДНК могут значительно изменять свои размеры. Молекулы длиной десятки сантиметров способны упаковываться в клеточных структурах микрометрового масштаба за счет явления сверхспирализации, в результате которого двойные спирали ДНК закручиваются в спиралевидные структуры более высокого порядка. При этом свободное вращение концов молекулы затруднено: либо они крепятся к другим структурам, либо соединяются, образуя кольцевую молекулу. Аналогичное явление сверхспирализации можно наблюдать и в поведении любых закрученных нитей при условии закрепленных концов.
Для создания искусственных мышц с возможностью сверхспирализации инженеры используют швейные нити из полиэстра, пропитывая их гидрогелем на основе полиакриловой кислоты, степень набухания которого зависит от уровня pH окружающей мышечное волокно среды. После этого нити скручиваются вместе с помощью электромотора с подсчетом числа оборотов и отжигаются в печи для закрепления. Более тонкие композитные нити, состоящие из смеси волокон полиакрилонитрила и полиакриловой кислоты, получают методом электроспининга.
Для того чтобы заставить суперспиральные искусственные мышцы сократиться, необходимо увеличить величину pH среды в которой они находятся. Для этого испытываемые образцы помещают в воду или в раствор гидроксида натрия. Чтобы вернуться в исходное состояние используют раствор соляной кислоты. При повышении уровня pH окружающей среды гидрогель набухает, увеличивая объем нитей, которые стремятся раскрутиться. Однако, так как концы спирали зафиксированы и не могут свободно вращаться, это приводит образованию на нитях супервитков и сжатию искусственной мышцы. Уменьшение же уровня водородного показателя pH окружающей среды приводит к уменьшению объема нити, раскручиванию суперспиралей и возвращению к исходному состоянию.
Инженерам удалось добиться сокращения искусственных мышечных волокон на величину до 90 процентов от их начальной длины. В процессе сокращения волокна способны совершить работу эквивалентную выделению одного джоуля энергии на грамм сухого волокна. Для сравнения мышцы млекопитающих способны сокращаться лишь примерно на 20 процентов от их первоначальной длины и производят работу около 0.03 джоулей на грамм.
Скорость сверхспирализации и сокращения нити при химическом методе активации оказалась довольно низкой и неравномерной. Сокращение до 66 процентов происходит за несколько минут, тогда как на полное сжатие может потребоваться больше 10 минут. Однако этот параметр зависит от толщины мышечных волокон и, по словам авторов, может быть улучшен заменой одной толстой нити на нескольких нитей с меньшим диаметром.
Для демонстрации возможностей применения своего изобретения инженеры создали два прототипа микрохирургических инструментов: ножницы и пинцет, корпуса которых изготовлены с помощью 3D печати. Авторы работы надеются, что в будущем им удастся расширить область применения искусственных мышц со сверхспиральным скручиванием. Для этого понадобится повысить скорость реакции мышц и заменить текущий химический способ активации волокон на более практичный и быстрый, например электротермический.
Инженеры часто заимствуют для своих разработок идеи из природы. Например, разработчики из Нидерландов создали прототип инструмента для малоинвазивной хирургии и биопсии, который имитирует работу яйцеклада ос-наездников.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом