Юный техник, 2014 № 04 - [6]
ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ
Мускулы машин и людей
Специалисты давно уже мечтают создать робот-андроид, который сможет двигаться в точности так, как человек. А еще лучше — превзойдет его по силе, ловкости движений и скорости. Определенные достижения в этой области уже есть.
Поначалу все человекоподобные роботы приводились в действие электромоторами и гидравлическими системами. К концу ХХ века выяснилось, что неким аналогом мышц в подобных конструкциях могут послужить материалы с памятью, которые меняют свою форму при изменении температуры или электрического напряжения. В наши дни уже есть несколько видов таких материалов. Одним из самых многообещающих стало недавнее достижение команды исследователей из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. Совместно со специалистами Министерства энергетики США они создали микромышцы, которые в 1000 раз мощнее человеческих. Такие «мускулы» из диоксида ванадия способны за 60 миллисекунд бросать груз в 50 раз тяжелее собственного веса на расстояние в 5 своих длин.
По словам сотрудника лаборатории Беркли Джункиао Ву, это соединение ванадия способно менять свой размер и форму при нагревании. А потому, когда исследователи создали микроскопическую биморфную двойную спираль, она стала функционировать словно «стальная» мышца, приводимая в движение благодаря переходу диоксида ванадия в другое фазовое состояние.
Диоксид ванадия — уникальный материал, который при низких температурах является диэлектриком, но проводит ток, когда температура поднимается до 67 градусов Цельсия. Ученые надеются, что такая особенность может быть использована для создания гораздо более энергоэффективных электронных и оптических устройств. Во время экспериментов мышцы из диоксида ванадия развивали скорость вращения 200 000 оборотов в минуту.
Доктор Ву объясняет: «Несколько микромышц могут быть собраны в роботизированную микросистему, которая имитирует нервно-мышечную систему живых организмов, где нейроны подают сигналы мышцам, а мышцы обеспечивают движение».
В итоге получилась конструкция, которая намного компактнее и совершеннее как по мощности, так и по скорости движения, по сравнению с двигателями и приводами, которые используются в существующих механизмах.
И это не единственная подобная конструкция наших дней. Новозеландские ученые тоже намерены наделить андроидов мышцами, подобными человеческим. Созданные в Оклендском биоинженерном институте искусственные мышцы эластичны, подвижны и превосходят по силовым характеристикам мышцы человека.
Под действием электротока они могут сокращаться на 300 %, развивая значительные усилия.
Как сообщает New Scientist, искусственные мышцы состоят из двух слоев электропроводного углеродного «желе», разделенных чрезвычайно эластичной полимерной пленкой-изолятором. При подаче на них напряжения разноименные полюса устройства притягиваются, и мышца сокращается, а после снятия напряжения она «расслабляется», возвращаясь в исходное положение.
Представитель биоинженерного института Иэн Андерсон продемонстрировал двигатель, построенный на базе новой технологии. 6 мышц смогли привести колесо двигателя в движение и поддерживали его необходимое время. «Создание этих мышц открывает перед нами большое будущее, — прокомментировал изобретение директор Бристольской лаборатории робототехники Крис Мелхунс. — Мы сможем получить совершенно иной класс роботов, которые будут ловки и подвижны, как живые существа, а также вполне смогут имитировать человеческую мимику».
Еще одной областью применения искусственных мышц может стать создание принципиально новых хирургических инструментов. Гибкие и подвижные устройства смогут проникать к тому или иному органу человеческого организма через естественные отверстия тела, сделав ненужными разрезы наружных покровов и послеоперационные швы.
Ученые также не оставляют попыток видоизменить биологические мышцы, нарастить мышечную массу животных и людей с помощью блокировки особого белка миостатина. Блокирование выработки этого белка приводит к резкому увеличению мышечной массы без соответствующего роста жировой ткани.
Эксперименты на мышах показали рост массы тела за счет роста массы мышц в 1,5 и более раз по сравнению с обычными особями. В настоящее время даже есть породы коров с мутантными генами, блокирующими выработку миостатина. Такие животные дают много мяса с низким содержанием жира. Кроме того, блокировка миостатина ускоряет регенерацию мышечной ткани, что может помочь при обширных повреждениях мышц, например, в результате ранения.
У людей мутантные гены, блокирующие выработку миостатина, — очень редкое явление. Поэтому в течение многих лет ученые искали средства управлять уровнем миостатина для того, чтобы была возможность регулировать рост мышц. Такое лекарство пригодилось бы, например, для лечения возрастных изменений. Ведь старея, люди начинают терять мышечную массу, сами мышцы становятся слабее, а все тело заплывает жиром.
Так выглядят под микроскопом спиральные мышцы из ванадия.
Определенные результаты в этой области уже есть. Существенного успеха в разработке технологии блокирования миостатина добились ученые Дэвид Глас и Эстель Трайфилиф из фармацевтической компании Novartis. Они разработали новое соединение BYM338, которое предотвращает атрофию мышц и способствует росту мышечной массы. Оно воздействует на рецептор миостатин/активин тип II (ActRII), который управляет ростом только скелетных мышц. Таким образом, теперь ученые могут регулировать рост мышечной массы без грубого вмешательства в другие процессы, протекающие в организме.
