Արհեստական մկանները լավ են, քանի որ դրանք չեն պարունակում ներքին շարժվող տարրեր: Սա մեկ այլ, բավականին արմատական այլընտրանք է էլեկտրաշարժիչներին և հիդրավլիկական օդաճնշական սարքերին: Այսօր գոյություն ունեցող նմուշները կամ սթրեսի կամ ջերմաստիճանի նկատմամբ զգայուն պոլիմերներ են կամ ձևի հիշողության համաձուլվածքներ: Առաջինները պահանջում են բավականին բարձր լարում, մինչդեռ երկրորդներն ունեն շարժման սահմանափակ շրջանակ և նույնպես շատ թանկ են: Փափուկ ռոբոտներ ստեղծելու համար օգտագործվում է նաև սեղմված օդ, սակայն դրա համար անհրաժեշտ է պոմպերի առկայությունը և բարդացնում դիզայնը։ Արհեստական մկաններ պատրաստելու համար մենք դիմեցինք Կոլումբիայի համալսարանի գիտնականների բաղադրատոմսին, ովքեր կարողացան մեկ դիզայնի մեջ համատեղել բարձր հզորությունը, թեթևությունը, առաձգականությունը և զարմանալի պարզությունը։ Մկանները սովորական փափուկ սիլիկոն են, որոնց մեջ նախապես սրսկվում են ալկոհոլի պղպջակներ։ Նիկրոմի պարույրով տաքացնելիս դրանց ներսում ալկոհոլը սկսում է եռալ, իսկ սիլիկոնը մեծապես ուռչում է։ Այնուամենայնիվ, եթե այս ամենը դնեք թելերի ուղղահայաց հյուսված կոշտ հյուսի մեջ, ապա այտուցը կվերածվի նորմալ կծկման, մոտավորապես այնպես, ինչպես աշխատում են McKibben օդային շարժիչները:
Քանի որ սիլիկոնը լավ չի փոխանցում ջերմությունը, կարևոր է կծիկի վրա շատ ուժ չկիրառել, հակառակ դեպքում պոլիմերը կսկսի ծխել: Սա, իհարկե, տպավորիչ տեսք ունի և գրեթե չի խանգարում աշխատանքին, բայց ի վերջո դա կարող է հանգեցնել հրդեհի: Ցածր հզորությունը նույնպես լավ չէ, քանի որ կրճատման ժամանակը կարող է հետաձգվել: Ամեն դեպքում, նախագծման մեջ ավելորդ չեն լինի սահմանափակող ջերմային սենսորը և PWM կարգավորիչը:
Մեթոդներ
Սիլիկոնե մկանները զարմանալիորեն պարզ են ձևավորման մեջ, և դրանց հետ աշխատելիս դուք իսկապես հանդիպում եք միայն երկու խնդրի. ուժ ընտրել և լցնելու համար բավականին հարմար կաղապարներ ստեղծել:
Հարմար է թափանցիկ պլաստիկ թիթեղներից լցոնման կաղապարներ պատրաստել։ Պարզապես նկատի ունեցեք, որ պոլիմերի ներսում պարույրը ամրացնելու մեխանիզմը պետք է նախապես մտածել՝ լցնելուց հետո շատ ուշ կլինի։
Եվ նյութեր
Փափուկ մկանների կառուցման սիլիկոն կարելի է ձեռք բերել արհեստագործական խանութներից: Պահանջվող հյուսվածքի հյուսը սովորաբար օգտագործվում է մալուխների կազմակերպման և միացման համար, այն պետք է որոնել էլեկտրիկներից: Ամենամեծ դժվարությունները ծագում են 96 տոկոս էթանոլի դեպքում, որն ավելի դժվար է գնել Ռուսաստանում, քան տանկը։ Այնուամենայնիվ, այն կարող է փոխարինվել իզոպրոպանոլով:
Popular Mechanics-ը ցանկանում է շնորհակալություն հայտնել Skeleton Shop-ին նկարահանումների ժամանակ ցուցաբերած աջակցության համար:Գիտություն և կյանք // Նկարազարդումներ
Գիտություն և կյանք // Նկարազարդումներ
Նույնիսկ տասը տարի չի անցել էկզոտիկ կառույցների՝ ածխածնային նանոխողովակների հայտնաբերումից, սակայն դրանք շարունակում են զարմացնել հետազոտողներին։ Ածխածնային նանոխողովակները հայտնի գրաֆիտի ամենաբարակ տերևներն են՝ գլորված 0,7-ից 1,5-2,0 նմ տրամագծով և մինչև մի քանի միկրոն երկարությամբ խողովակի մեջ (տե՛ս «Գիտություն և կյանք» թիվ 11, 1993 թ.)։
Ածխածին-ածխածին կապի բարձր ամրությունը, փոքր չափսերը, նանոխողովակների պատյանների ցանցային կառուցվածքը (դրանք կազմված են միացված վեցանկյուններից) և թերությունների բացակայությունը ապահովում են դրանց անսովոր մեխանիկական հատկությունները. դրանք 10-12 անգամ ավելի ամուր են և 6 անգամ թեթև, քան պողպատը: Նման նանոխողովակներից 1 մմ տրամագծով թելը կարող է դիմակայել 20 տոննա ծանրաբեռնվածությանը, որը հարյուր միլիարդավոր անգամ գերազանցում է իր քաշը: Եվ մեկ նանոխողովակի տրամագիծն այնքան փոքր է (50 հազար անգամ փոքր, քան մարդու մազի տրամագիծը), որ Երկրից մինչև Լուսին նանոկաբիլը կարող է փաթաթվել կակաչի հատիկի չափ պտույտի վրա:
Այս ամենը զգալի խանդավառություն է առաջացնում նյութագետների մոտ, ովքեր վերջերս հիշեցին, օրինակ, նույնիսկ ամերիկացի գրող Արթուր Քլարկի ֆանտաստիկ գաղափարը՝ գեոստացիոնար ուղեծրում տիեզերանավը վերելակով Երկրին միացնելու մասին:
Ածխածնային նանոխողովակների անսովոր էլեկտրոնային հատկությունները պատրաստվում են իրենց ճանապարհը գտնել դաշտային արտանետման առաջին ցուցասարքերում և թունելային մանրադիտակների մեջ և ստիպել են աշխատանքի մեծ զանգվածին փորձել ստեղծել մոլեկուլային տրանզիստոր, որը փոքրագույնից փոքր չափերի մեծության կարգով կլինի: գոյություն ունեցող էլեկտրոնային սարքեր.
Դրանց օգտագործման մեկ այլ ոլորտ ուրվագծվեց հաղորդագրությամբ, որը դարձավ գիտական սենսացիա:
1999 թվականի փետրվար - մարտ ամիսներին Տիրոլ (Ավստրիա) Կիրխբերգ քաղաքում անցկացվեց 13-րդ միջազգային ձմեռային դպրոցը նոր նյութերի էլեկտրոնային հատկությունների վերաբերյալ: Նանոխողովակների մասին բավականին մեծ թվով զեկույցների շարքում ընդհանուր ուշադրություն է գրավել միջազգային հետազոտական խմբի զեկույցը՝ Allied Signal ընկերության աշխատակից Ռեյ Բաուգմանի գլխավորությամբ։ Զեկույցը նվիրված էր արհեստական մկանների ստեղծմանը և հետագայում ներկայացվեց Science ամսագրում տպագրված հոդվածում (Science, 1999. v. 284, N. 5418, p. 1340-1344, մայիսի 21):
Նրանք երկար ժամանակ փորձում էին արհեստական մկաններ ստեղծել, և այս խնդիրը լուծելու մի քանի ուղիներ են ուսումնասիրվել։ Դուք կարող եք, օրինակ, օգտագործել պիեզոէլեկտրական էֆեկտը՝ փոխելով բյուրեղի կամ կերամիկայի չափը, երբ կիրառվում է էլեկտրական լարման: Դուք կարող եք «խաղալ» շերտավոր նյութերի ունակության վրա, որոնք ընդլայնվում են շերտերի հարթությանը ուղղահայաց ուղղությամբ, երբ ներմուծվում են քիմիական նյութերի շերտերի միջև: Բայց այս ուղիները կամ բարդ են, կամ անարդյունավետ:
Բաուխմանի խումբն այլ սկզբունք էր կիրառել. Ածխածնային նանոխողովակներ կարելի է ձեռք բերել նանոթղթի թերթիկների տեսքով, որոնցում խողովակները խճճված են և միահյուսվում են միմյանց հետ։ Նման նանոթղթը կարելի է վերցնել և կտրել շերտերով: Առաջին փորձերը զարմանալիորեն պարզ էին.
Հետազոտողները կպչուն ժապավենի հակառակ կողմերին սոսնձեցին նանոթղթի երկու ժապավեն, ծայրերին ամրացրին էլեկտրոդներ և դրանք թաթախեցին աղի լուծույթի մեջ, որն ապահովում է էլեկտրական հաղորդունակություն: Երբ մի քանի վոլտ լարում արտադրող էլեկտրական մարտկոցը միացրին, նանոթղթի երկու շերտերն էլ մի փոքր երկարացան, բայց մարտկոցի բացասական տերմինալին միացածն ավելի երկարացավ և թեքվեց։ Գործեց արհեստական մկանը (ակտուատորը):
Իհարկե, նման սարքը չափազանց պարզունակ է, որպեսզի այսօր օգտագործվի երկգլուխ մկանների և եռգլուխների փոխարեն: Բայց արդեն պարզ է, որ այս դիզայնը շատ ավելի խոստումնալից է, քան մյուսները։ Փոխարենը աղի լուծույթՆախատեսվում է օգտագործել հաղորդիչ պոլիմեր՝ ստեղծելով թեթև և դիմացկուն կոմպոզիտային նյութ։
Արդեն ցույց է տրվել, որ արհեստական մկանները առնվազն երեք անգամ ավելի «ուժեղ» կլինեն, քան նորմալները, այսինքն՝ նրանք կկարողանան դիմակայել նույն չափերով շատ ավելի մեծ բեռների։ Ի տարբերություն մետաղների, ածխածնային նանոխողովակները չեն քայքայվում հոգնածությունից և կարող են գործել բավականին բարձր ջերմաստիճաններում: Իսկ դրանց շահագործման համար օգտագործվող լարումն ու հոսանքը փոքր են։
Արհեստական մկանները ի վերջո կարող են օգտագործվել օրգանների և առանձին մկանների (ասենք՝ սրտի) պրոթեզավորման համար։ Դրանց հիման վրա հեշտ կլինի կառուցել տիեզերքի ցրտին կամ 1000 աստիճան շոգին, վակուումում և ագրեսիվ գազերի միջավայրում գործող ռոբոտների «ձեռքերն» ու «մատները»։
Ածխածնային մկանները կարող են օգտագործվել նաև էներգիա արտադրելու համար, քանի որ, ըստ Բաուխմանի, ազդեցությունը շրջելի է. շերտերի ճկումը և երկարացումը ստեղծում է էլեկտրական ներուժ: Շղթայով միացված տարրերը կարող են օգտագործել ալիքների, մակընթացությունների և հոսքերի էներգիան նոր տեսակի էլեկտրակայանում: Ի վերջո, յուրաքանչյուր մեքենա կարող է հագեցած լինել թեթև սարքով, որը կվերալիցքավորի մարտկոցները արգելակելիս:
Գիտնականները վաղուց արհեստական մկաններ են մշակում և կախված այն ոլորտից, որտեղ նրանք աշխատում են: Այսպիսով, ռոբոտաշինության ոլորտում բավականին երկար ժամանակ օգտագործվել են փափուկ էլեկտրաստատիկ շարժիչներ, սակայն Դյուկի համալսարանի կենսաբժշկությունը կարողացել է աճեցնել մկանային հյուսվածք, որն ունի բնական ծագման մկանների ճկունություն, առաձգականություն և ուժ:
Այնուամենայնիվ, կենսաբժշկական գիտնականները նախկինում էլ նման բաներ են ստեղծել, բայց գիտնականների նոր զարգացումն ամենահետաքրքիրն է դարձել։ Բանն այն է, որ կենսաբժշկական ինժեներներին հաջողվել է ստեղծել մկաններ, որոնք օրգանիզմներում իմպլանտացիայից հետո վնասվելու դեպքում կարող են վերականգնվել։
Հետազոտողները սկսել են աշխատել այս ոլորտում շատ տարիներ առաջ, բայց հիմա էլ նրանք շարունակում են բախվել տարբեր խնդիրների։ Խնդիրներից մեկն այն է, որ մկանային հյուսվածք աճեցնելը բավականին հեշտ է, բայց իրական մկանային հյուսվածքի բոլոր բնութագրերը փոխանցելը կամ այն գերազանցելը շատ ավելի դժվար է:
«Ստեղծված է մեր կողմից տարբեր արհեստական գործվածքների արտադրության ոլորտում։ Սա առաջին արհեստական մկանն է, որն ունի բնական ծագման մկանի ուժ և այլ բնութագրեր, որոնք ունակ են ինքնավերականգնման և կարող են փոխպատվաստվել կենդանի էակների գրեթե ցանկացած տեսակի մեջ»:— Նենանդ Բերսակ, Դյուկի համալսարանի գիտաշխատող
Օգտագործելով համալսարանի գիտնականների կողմից մշակված նոր տեխնիկան, ինժեներները կարողացան ձեռք բերել աճեցված հյուսվածքի մանրաթելեր, որոնք պատվիրված էին մեկ ուղղությամբ, ինչը նոր մկաններին տալիս է իրենց ուժն ու առաձգականությունը: Ավելին, հյուսվածքային մանրաթելերի աճեցման գործընթացում կենսաբժշկական գիտնականները նրանց միջև դատարկ տարածություններ են թողել և նրանց միջև տեղադրել մկանային ցողունային բջիջներ։ Այսպիսով, երբ վնասվում են, ցողունային բջիջները վերածվում են հյուսվածքային բջիջների, և հյուսվածքը վերականգնվում է: Հետաքրքիր է նաև, որ ռեգեներացիոն գործընթացն ակտիվանում է նաև տոքսիններով հյուսվածքների վնասման դեպքում։
Արհեստական մկանների աշխատանքը ստուգելու համար գիտնականները դրանք տեղադրել են փորձարարական կենդանու մեջքի մեջ տեղադրված ապակե պատյանում: Հարկ է նշել, որ նախքան թեստավորումը սկսելը, գիտնականները գենետիկ մակարդակով փոփոխել են մկանները, որպեսզի կարողանան լյումինեսցենտային լույսի առկայություն առաջացնել, երբ դրանք կծկվեն: Երկու շաբաթ անց գիտնականները գրանցեցին արձակված լույսը և պարզեցին, որ լույսի փայլատակումները մեծանում են ինտենսիվությամբ և ուժեղանում՝ մկանների ուժգնացմանը զուգահեռ:
Ներկայումս հետազոտողները ուսումնասիրում են վնասվածքների կամ հիվանդության հետևանքով վնասված մարդկանց կամ կենդանիների մկանների համար արհեստական մկանային հյուսվածքի օգտագործման խնդիրը: Մասնագետները հուսով են, որ մոտ ապագայում նման տեխնոլոգիան կարող է օգտագործվել ոչ միայն մարդու մկանային հյուսվածքի վնասը վերականգնելու համար, այլև դրա կարիքն ունեցող մարդկանց դեգրադացված մկանների ուժն ու շարժունակությունը վերականգնելու համար:
Սինգապուրի ազգային համալսարանի գիտնականները ստեղծել են արհեստական մկանների նոր տեսակ, որի կատարումը տպավորել է գործընկերներին։ Բանն այն է, որ մկանների այս նոր տեսակը կարող է ձգվել իր սկզբնական երկարությունից մինչև հինգ անգամ, իսկ այն քաշը, որը կարող է բարձրացնել, 80 անգամ գերազանցում է իր քաշից:
Այս զարգացման նպատակն է ռոբոտներին տրամադրել զարմանալի ուժային հատկանիշներ և միևնույն ժամանակ ապահովել մարդու նման պլաստիկության առկայությունը։
Բժիշկ Ադրիան Կոխի խոսքով, ով ներկայումս ծրագրի տնօրենն է, ստացված նյութն ունի կենդանի օրգանիզմների մկանային հյուսվածքի նման կառուցվածք։
Հիմնական հետաքրքրությունը կայանում է նրանում, որ չնայած իրենց ուժին, պլաստիկությանը և ճկունությանը, այս արհեստական մկանները արձագանքում են էլեկտրական կառավարման իմպուլսներին վայրկյանի մի մասում, և դա, անկասկած, հսկայական արդյունք է:
Օրինակ, այս պահին ոչ մի մեխանիկա կամ հիդրոտեխնիկա չի կարող նման ազդեցություն ապահովել։ Ինչպես ասում է խմբի ղեկավարը, եթե ռոբոտներին զինեք այս արագ գործող արհեստական մկաններով, ապա հնարավոր կլինի ձերբազատվել ռոբոտների մեխանիկական շարժումներից և մոտենալ մարդկանց կամ տարբեր կենդանիների «պլաստիկ» ցուցանիշներին։ Այս ամենի հետ մեկտեղ շարժումների դիմացկունությունը, ուժն ու ճշգրտությունը պետք է բազմապատիկ գերազանցեն մարդուն:
Այս նյութը բարդ կոմպոզիտ է, որն իր հերթին բաղկացած է տարբեր պոլիմերներից։ Օգտագործելով այս կազմըառաձգական պոլիմերները՝ 10 անգամ ձգվելու ունակությամբ և պոլիմերները, որոնք կարող են դիմակայել իրենց քաշից 500 անգամ, հնարավորություն են տվել հասնել այսպիսի զարմանալի արդյունքների։ Ինչպես հայտնում են գիտնականները, մշակման աշխատանքները կշարունակվեն ավելի քան մեկ տարի, սակայն նախատեսվում է մի քանի տեսակի վերջույթներ ստեղծել ռոբոտների համար, որոնք կհամալրվեն այս տեսակի արհեստական մկաններով. Հետաքրքիր է, որ վերջույթը կունենա իր մարդկային նմանակի քաշն ու չափը, բայց մարդը հաղթելու մեծ հնարավորություն չի ունենա։
Չնայած այն հանգամանքին, որ այս զարգացումն ամենահետաքրքիրն է տվյալ ոլորտի մի խումբ գիտնականների համար, զուգահեռաբար նրանք նախատեսում են ստացված նյութն օգտագործել այլ նպատակների համար։ Օրինակ՝ նոր նյութը ունակ է մեխանիկական էներգիան էլեկտրական էներգիայի վերածելու և հակառակը։ Եվ, հետևաբար, գիտնականները միաժամանակ մշակում են էլեկտրական գեներատորի դիզայն՝ հիմնված փափուկ պոլիմերային նյութերի վրա։ Այստեղ հետաքրքրական է այն փաստը, որ պլանների համաձայն՝ դրա քաշը կազմելու է մոտ 10 կիլոգրամ, և այն կկարողանա արտադրել այնքան էլեկտրաէներգիա, որքան հողմատուրբիններում օգտագործվող և 1 տոննա կշռող ավանդական գեներատորը։
