В Первом МГМУ разработали «искусственные мышцы», работающие от переменного тока
«Искусственные мышцы» на основе гидрогеля, активируемые переменным током, разработали специалисты лаборатории управляемых бионических систем Сеченовского Университета Минздрава России. Легкие и бесшумные устройства с хорошими механическими свойствами и способные выдерживать большие нагрузки. Они будут полезны не только в медицинской области для создания бионических протезов и реабилитационных устройств, но и для задач мягкой робототехники и аэрокосмической промышленности. Работа велась в рамках программы стратегического и академического лидерства «Приоритет 2030».
Полимерные гидрогели способны поглощать и удерживать в себе влагу благодаря особой структуре, напоминающей сетку. Актуаторы на основе ионных электроактивных полимеров (гидрогелей) — это устройства, способные под воздействием электричества менять свой размер и форму за счет диффузии анионов и катионов к аноду и катоду, соответственно, что приводит к набуханию, сжатию или изгибу актуатора при приложении постоянного электрического тока. Однако такие устройства имеют низкую скорость активации (срабатывания), а также очень чувствительны к величине напряжения тока и при превышении электрического напряжения могут легко выйти из строя.
Ученые разработали актуаторы на основе гидрогеля поливинилового спирта, активируемого переменным током. При воздействии переменного тока ионы не движутся к электродам, а колеблются на месте, поэтому происходит равномерный нагрев всего гидрогеля и изменение формы актуатора. Чтобы контролировать изменение формы, ученые использовали эластичный материал и два типа внешних армирующих сеток со специальной геометрией плетения.
«Гидрогели состоят из полимера поливинилового спирта и воды. Когда мы воздействуем на гидрогель переменным током, ионы воды начинают локально вибрировать, что приводит к нагреванию всего гидрогеля. В результате нагревания в определенном диапазоне температур вода резко переходит в газообразное состояние и выделяется из гидрогеля. Когда воздействие тока прекращается, вода быстро абсорбируется обратно. Гидрогель покрыт эластичной герметичной оболочкой, которая в процессе расширяется, подобно надуваемому воздушному шарику. Чтобы расширение происходило линейно, мы использовали два типа внешних армирующих сеток – плетеную и в виде спирали», — пояснил старший научный сотрудник лаборатории управляемых бионических систем Тарек Дайюб.
Чтобы достичь необходимого эффекта требуется всего около трех секунд. Актуатор с армирующей сеткой в виде спирали способен растягиваться до 60%, а актуатор с плетеной сеткой способен сокращаться более чем на 20%.
«Использовать такие актуаторы можно в различных областях, где необходимы устройства, обеспечивающие линейное перемещение— это и искусственные мышцы для задач медицины, и мягкая робототехника, и различные тяговые устройства в технике», — отметил Тарек Дайюб.
В ближайшей перспективе ученые займутся поиском способов снизить электрическое напряжение, необходимое для активации актуаторов — сейчас актуаторы способны работать в диапазоне электрического напряжения 50÷200 В и частоты тока 50÷500 Гц. Исследователям предстоит выяснить, как сделать использование новых актуаторов более безопасным, сохранив при этом функциональность.
