В новой перспективной статье о трудах Национальной Академии Наук в Далласе ученые описали метод создания нового класса искусственных мышц из сильно скрученных волокон различных материалов. При тепловом или электрическом воздействии на витые мышцы последние способны сокращаться на 30% и эта способность может быть использована для производства умных тканей (таких, как те, что приспосабливают свою пористость в ответ на изменение температуры).

Не так давно исследователи в Университете Техаса в Далласе и их коллеги в университете Вуллонгонга, Австралия, настроили высокотехнологичный процесс прядения современных материалов для производства сверхпрочных, мощных, меняющих форму волокон на основе древнего искусства прядения волокон.

«Мы называем эти движущие волокна «искусственными мускулами», потому, что они имитируют форму и построение природных мышц», говорит Картер Хейнс - адъюнкт профессор института нано технологий и соавтор статьи вместе с исследователем На Ли. «В то время, как название рождает идею роботов гуманоидов, мы заинтересованы в потенциальном использовании волокон для других практических задач - умных тканей следующего поколения».

Прядение из животного меха и растительных волокон для производства нитей и пряжей пережило сотни лет. Практика показала, что выравнивание волокон и последующее их скручивание в пряжу обеспечивает пряжу силой. Используя эти знания и научные исследования 21 века помогли ученым из Далласа произвести сокращающиеся подобно мышцам пряжи, которые также, как их шерстяные копии, могут быть сплетены, сшиты и связаны в ткани.

Например, углеродные нано трубки являются крошечными, пустыми трубками, обладающие сверх прочностью и электропроводностью.

Еще в 2004 году группа, руководимая Рэйем Бауманом, директором нано технологического института в Далласе, разработала метод рисования «лесов» нано трубками на листах ровных волокон – больше похожих на кардированную шерсть- и затем скручивание этих листов в пряжи. Затем группа обратилась к полимерным волокнам таким, как нейлон, нитка для шитья и рыболовная леска, которые состоят из множества единичных молекул, направленных вдоль длины волокна.

Скручивание нити или рыболовной лески располагает эти молекулы в спирали, производя торсионные или ротационные искусственные мышцы, которые способны вращать тяжелые роторы со скоростью более 100 000 оборотов в минуту.

Когда эти мышцы так хорошо скручены, они вьются, как перекрученная резиновая лента. Они способны эластично растягиваться подобно мышце вдоль своей длины при нагреве и возвращается к своей первоначальной длине при охлаждении. Это исследования, опубликованные в 2014 году, продемонстрировали, что эти дешевые мышцы, изготовленные из рыболовной лески, способны поднимать в 100 раз больший вес и генерировать в 100 раз большую механическую нагрузку, чем человеческие мышцы той же самой длины и веса.

«Успех наших мышц происходит от их уникальной геометрии и того факта, что мы начинали с материалов, которые являлись неоднородными - когда их нагревают, материалы увеличиваются в диаметре намного больше, чем они увеличиваются вдоль своей длины», - Сказал Бауман, старший автор проекции. Эта неоднородность является ключевым свойством высокопрочных полимерных волокон и основано на тех же принципах, которые двигают мощные искусственные мышцы, открытые в 2012, которые были произведены добавлением термически отзывчивого «гостевого» материала в углеродные нано технологические пряжи.

«Когда эти волокна скручиваются в спираль и начинают виться, их внутренняя геометрия меняется таким образом, что при нагреве увеличение внутреннего диаметра волокна влечет за собой в изменения в его длине», говорит Бауман: «При увеличении диаметра волокна всего на 5% наблюдается существенные изменения в длине».

Недавних эксперименты, описанные впервые в статье Хейнца и Ли, добавили еще один виток в развитие искусственных мышц.

«Скрученные в спираль мышцы мы изначально делали из рыболовной лески и нейлоновой нити, которые были ограничены в цифрах, которые мы получали при их сжатии», - сказал Хейнц. «По причине их геометрического строения, как например телефонный провод, они только могут сжиматься до тех пор, пока витки не начнут сталкиваться друг с другом».

«Преимуществом спиральной формы является то, что теперь наши мышцы могут сжиматься в плоское состояние, расширяться в противоположном направлении и возвращаться к своему оригинальному состоянию без зависаний», говорит Ли. Наши эксперименты стали лишь доказательством идеи, но результаты уже продемонстрировали, что мы можем использовать нагрев и охлаждение для стимуляции подобных сократительных движений во многих случаях. Этот тип телескопического привода может приводить к изменению в длине свыше 8600%, сравнительно с 70% с нашими предыдущими витками».

Ли сказал, что одним из потенциальных применений для волокна из спиральных витков может быть термо-отзывчивая одежда. Вместо надевания пуховой куртки или пальто, которое содержит большое количество мелких витков пряжи, можно будет изменять изоляционную способность одежды и тем самым увеличивать ее способность сохранять тепло в ответ на изменение температуры.

 В лабораторных условиях Хейнц и Ли произвели катушки полимерных мышечных витков, пригодных для шитья. «Мы продемонстрировали, что эти термо-отзывчивые волокна могут быть использованы на обычных станках, таких как ткацкий станок, вязальный станок и швейный станок», - сказал Ли: «По мере того, как мы продвигаемся с нашими исследованиями, нам хотелось бы внедрить наши идеи в функциональные ткани для различных отраслей, от одежды и архитектуры до динамических скульптур в искусстве».