Эта искусственная мышца сама перемещает предметы

Dec 20, 2023

Макс Дж. Леви

В овощном отделе продуктового магазина огурец выглядит обыденно. Но в отделе питомника хозяйственного магазина, говорит Шазед Азиз, огуречный куст — просто чудо.

Пару лет назад Азиз прошёл через Bunnings Warehouse, австралийскую сеть магазинов скобяных изделий, направляясь к конкретному огуречному заводу. Накануне он заметил его своеобразные усики — тонкие стебли, которые торчат из растения витками разного размера и которые огуречные лозы используют, чтобы тянуться к поверхности и подтягиваться вверх, чтобы получить больше солнечного света. Во время его первого визита эти спиральные кудри были длинными и распущенными. «Когда на следующий день я вернулся в магазин, они заключили контракт», — говорит Азиз, постдок в области материаловедения в Университете Квинсленда.

Он разыскал одного из сотрудников и спросил, почему завод так сильно и так быстро изменился. Может ли он быть сухим, больным или умирающим? Неа. Растение просто реагировало на влажность и жаркий день, подобно тому, как подсолнечник поворачивается вслед за солнцем — явление, называемое тропизмом.

Будучи инженером, Азиз воодушевился мыслью об экологически чистом природном материале. Он получил докторскую степень, изучая искусственные мышцы, новые типы приводов, которые являются компонентами устройства, которое, как и наши мышцы, преобразует стимулы в движение и может использоваться для изготовления механизированной одежды, универсальных протезов и мобильных устройств, приводимых в движение электричеством или водой под давлением. или воздух.

Хотя эти устройства часто состоят из искусственных материалов, таких как проводящие полимеры или «сплавы с памятью формы», которые перемещаются между определенными формами, исследователи, изучающие эти концепции, черпают вдохновение в природе: универсальные щупальца осьминога, мощные хоботы слонов и быстрые колибри. Огурец, меняющий форму, на складе Bunnings Warehouse натолкнул Азиза на мысль: может ли кто-нибудь скопировать не только спиральную форму растения, но и его автономное поведение?

Взяв завод на буксир, Азиз поехал домой и обдумывал, как представить проект своему наставнику. Затем он углубился в научные статьи, чтобы узнать об усах огурца, чтобы можно было реконструировать их поведение. Как они сжимаются и расширяются? Как они преодолевают гравитацию? Он обнаружил, что спиральные растения образуют спирали на более глубоком уровне, чем их усики. Нити микроскопических целлюлозных волокон, называемые микрофибриллами, скручиваются внутри растительных клеток, которые, в свою очередь, скручиваются внутри пучков клеток, которые сами скручиваются внутри витков усиков.

Он намеревался имитировать эту микроскопическую структуру с помощью привода, состоящего из нескольких слоев изгибов, надеясь уловить движение, подобное растению. Он знал только материал для начала: пряжу. Пряжа представляет собой уже туго скрученные пучки волокон. Завитки, напоминающие растительные, заложены на молекулярном уровне, а поскольку пряжа мягкая, ее можно будет легко намотать в большем количестве измерений.

Шесть месяцев спустя у Азиза появился прототип — намотанная хлопчатобумажная пряжа, пропитанная специальными полимерами, которые поглощают и удерживают воду, называемыми гидрогелями. В майской статье в Advanced Materials его команда описала имитацию расширяющихся и сжимающихся витков спиральных растений на микроскопическом уровне, показав, что их пружина автоматически сжимается при намокании или холоде и была достаточно мощной, чтобы самостоятельно перемещать небольшие объекты.

«Похоже, что оно действительно очень хорошо имитирует поведение растений», — говорит Хайди Фейгенбаум, инженер-механик из Университета Северной Аризоны, которая участвовала в проектах, в которых скрученные лески или полые полимеры расширяются и сжимаются, как мышцы, но не является частью команды Азиза. команда. Она считает, что спиральные приводы являются благом для этой области из-за гибкости и прочности, которые они обеспечивают.

Джереми Уайт

Кейт Ниббс

Джереми Уайт

ПРОВОДНОЙ персонал

Эксперимент, имитирующий огурец, является первой демонстрацией растительного тропизма в приводе и является частью движения к «мягкой» робототехнике, в которой используются приводы, изготовленные из текучих материалов, таких как ткань, бумага, волокна и полимеры, а не из жестких материалов. металлические соединения, чтобы отдать предпочтение универсальному движению. Мягкость улучшит роботов в ситуациях, когда важны гибкость и низкопрофильная конструкция, например, во время хирургических операций. А автономный мягкий робот может работать в местах, где нет электричества и людей.