Александр Сергеев: Я закончил МФТИ, факультет физической и квантовой электроники. На физтехе его называют “Кванты”. Особенность физтеховского образования заключается в том, что студент еще до завершения учебы начинает работать в лаборатории на базовой кафедре. Вот и я еще на третьем курсе начал работать в лаборатории Александра Нагина в НИИ Физических Проблем, в Зеленограде. Физическими проблемами занимались все остальные, а я вместе с моим коллегой Володей Вещиковым собирал и программировал измерительные установки, вначале совсем простые. Потом задачи усложнились. В конце концов я собрал группу и мы даже пытались применять методы искусственного интеллекта в измерениях и предсказаниях свойств измеряемого. Потом работал в Институте Безопасного Развития Атомной Энергетики Академии Наук. Тоже пытался применять ИИ для задачек.

А дальше грянула свобода, и стало можно делать high tech компании. Я создал свою компанию Эпсилон Текнолоджис, и она просуществовала более 15 лет. Делали инновационные программные продукты, автоматизировали предприятия. Один из продуктов получился на редкость удачным, мы его назвали Baikonur Web App Server. Около сотни крупнейших российских компаний его внедрили у себя. Аэрофлот, Лукойл, Центральный Банк РФ, Транснефть, всего более сотни крупнейших российских компаний. Продукт позволял при помощи визуальных компонент быстро делать интернет-приложения, и особенно хорош он был для внутреннего корпоративного интернета. Ничего подобного тогда в мире не было.

Потом последовал первый инвестиционный проект в Нью Йорке. Потом еще несколько. Мне всегда нравилось заниматься безумными идеями.

В 2006 году я продал свои компании (московскую и нью-йоркскую) и начал работать CTO в калифорнийском стартапе Datamash, который, собственно, их и купил.

Потом работал в нескольких других стартапах, делал мобильные приложения (Intive), краудфандинговую платформу Wallandmain , систему публикаций электронных учебников Trunity, всегда все работало и получались очень интересные продукты. Но все это было далеко от физики и от роботов. Но математики было много.

Искусственные мышцы — это основное профессиональное занятие сегодня или это проект для души?

Это мой фокус на сегодня. И да, вся моя душа вложена в этот проект. Получается очень здорово, и это же настоящая научная фантастика - то, что мы делаем!

Когда и почему у вас возникла идея заняться созданием искусственных мышц?

О, это интересная история.

Чуть больше года назад моя племянница разбирала семейные архивы и обнаружила мое “письмо в будущее”. Мне было 12 лет, когда я его написал себе “пожилому”, чтобы я открыл и прочитал его через много-много лет. Она вскрыла его, отсканировала, и прислала мне по Скайпу. И вот я, в будущем, которое теперь настоящее, читаю свое письмо от тинейджера, которым я был много лет назад. Там был вопрос: “А чем ты сейчас занимаешься? Наверное роботами, да?”. И я вспомнил, как рисовал и придумывал роботов, и сколько карандашей извел, пытаясь придумать мускулы для роботов. Тогда у меня ничего не получилось, правда.

Я лег спать, наутро взял карандаш, и нарисовал схему нового мускула. Идея была чисто математическая. Потом прикинул физику - вроде должно было заработать. Потом потратил довольно приличное время, чтобы вывести физические формулы. Потом работал с экспертами, с друзьями-физтехами и с другими местными физиками.

Один из экспертов, физик из MIT, даже промоделировал устройство в системе моделирования. Мнения разделились. Физтехи говорили, что вроде должно работать, физика правильная. Другие эксперты - что нет, работать не будет, устройство имеет контр-интуитивный дизайн.

Ваша компания RMUS Dynamics (RMUS как расшифровывается?) зарегистрирована 26 февраля 2016 года в Сан-Франциско. До этого велись вами какие-либо серьезные разработки или все активно завертелось зимой этого года?

RMUS никак не расшифровывается. Просто вначале я назвал мускулы RMuscles, чтобы звучало динамично. Потом сократил слово и добавил больше динамики, отсюда RMUS Dynamics. Мне нравится название.

Компания действительно зарегистрирована только в конце февраля. Работа по патентованию и обсуждения с экспертами велась до образования компании.

Так вот, американские эксперты сказали, что такой мускул работать не может. Мне пришлось сделать примитивный прототип, чтобы доказать, что может. Я его сделал, показал, что мускул сокращается и растягивает резинку, к которой был привязан. Это был очень смешной прототип, выглядел очень несерьезно.

Посмотрев на него, эксперты заявили, что OK, прототип действительно показывает слабые признаки работоспособности, но эффект не масштабируемый, сильным он не может быть, как ни крути. Честно говоря, они очень убедительно говорили, я даже чуть было не поверил им, чуть не сдался.

Без лаборатории такие вещи обычно не делаются. Попробуйте воспроизвести при помощи отверток, паяльника и молотка что-нибудь простое из современного мира. Например, памперс или автомобильную шину. И вы поймете, насколько на самом деле сложны простые обиходные вещи. А у меня в распоряжении была кухня, гараж, и отвертки с паяльниками. И все. Пришлось придумывать, как обойти технологические ограничения без наличия дорогих технологий.

В феврале я зарегистрировал компанию, потому что понял, как решить технологические проблемы. 2 дня назад новый прототип начал поднимать 30 фунтов (13.6 кг). Эффект оказался масштабируемым, потенциально мускул может двигать тонны.

В чем ноу-хау вашего прототипа? За счет чего происходит сокращение мышцы?

Это природный эффект, большинство людей много раз видели его в своей жизни, просто никому не пришло в голову, что эффект может генерировать значительную силу. И что его можно приспособить для искусственного мускула. Описывается физикой капилляров, хотя это не совсем капилляры. Наверное, многие видели ртутные градусники, там поверхность столбика ртути не горизонтальная, а искривленная под воздействием сил внутреннего натяжения. Вот именно эти силы и складываются в ячейках моего искусственного мускула.

Какое основное свойство композита используется при сокращении - возможность многократного удлинения под воздействием электрического сигнала или какой-то иной принцип?

Мускул имеет форму тонкой пластинки. Например, последний прототип имел длину 17 см, ширину 12 см, толщину 0.5 см. Сокращение происходит от низковольтного управляющего воздействия, которое высвобождает запасенную энергию для сокращения в длину. Ширина при этом остается неизменной.

Если изменения нет, энергия практически не тратится. То есть робот с такими мышцами сможет держать гирю на вытянутой руке, и при этом не потеть и батарейку свою не разряжать. Людям есть чему позавидовать, у них мускулы не такие.

Удлинение мускула производит внешняя сила, которая была приложена к сокращенному мускулу, точно так же, как это происходит в человеческих мышцах. Например, мускул-разгибатель удлиняет соответствующий мускул-сгибатель, и наоборот.

Еще одно любопытное свойство нашего искусственного мускула - это возможная рекуперация энергии. В живых организмах, как правило, каждый мускул имеет своего антипода. В моем случае энергия, запасенная в сокращенном мускуле сгибателя, может быть частично использована в мускуле разгибателя. Электричество не возвращается обратно в батарейку, просто в сложных скелетно-мускульных системах батарейка будет использоваться более экономно.

А что с тактильностью - "чувствует" ли мышца, что достаточно уже усилия для выполнения захвата или удержания?

Сама по себе мышца ничего не чувствует - нужно обвешивать ее датчиками и подключать их к Motor Cortex (системе управления). Точно так же человеческие мышцы соединены аксонами с нейронами Motor Cortex (область мозга).

Сейчас есть очень продвинутые разработки тактильных сенсоров - вот их мы и будем использовать при дизайне.

Сейчас существует лишь прототип, созданный при помощи технологий и материалов, доступных в гараже. Эти характеристики будут существенно меняться при промышленном изготовлении. И даже промышленно их можно изготовить разными способами, от этого и будут зависеть характеристики. Однако, пока что все соответствовало теории, и эти характеристики можно достаточно точно предсказать.

Алесандр Сергеев: сборочный станок пришлось делать из досок

Прототип поднимает груз 30 фунтов примерно за секунду-полсекунды. Мы и не гнались за скоростью на данном этапе - важно было доказать, что эффект масштабируется. Насколько я сейчас могу судить, искусственный бицепс можно сделать в несколько раз сильнее, чем у человека (например, в 10 раз), сокращаться он будет быстрее раза в два, и весить меньше, чем человеческий, тоже раза в 2-3.

Интересно еще, что такие мускулы можно будет использовать для силовых машин. Например, строительный робот должен быть сильным, как слон. Это требуется для многих операций. А мы можем построить робота, который сильнее обычного слона в несколько раз, и в несколько раз легче. Это делает его очень быстрым, инерции же нет.

Как контролируется процесс изготовления композитных материалов с заданными свойствами?

Это не совсем правильный термин для мускула - композитный материал. Мускул в таком же смысле композитный материал, как детский подгузник. Он состоит из частей, обладает внутренней структурой. Так же, как подгузник, он должен будет производиться разных типов и разных размеров. Например, в человеческой руке 38 разных мускулов, все они разной длины и формы.

Правильный подход - изготавливать мускулы прямо на скелетной основе. Я вижу этот процесс как полностью автоматическую (без участия человека) сборку конечности или другого мускульного устройства в соответствии с параметрами, получаемыми из специальной системы проектирования.

Генерируемая сила зависит от геометрических размеров мускула. Чем он больше, тем он сильнее. Это свойство практически не зависит от процесса изготовления. Для очень больших мускулов генерируемая сила могла бы разорвать мускул изнутри, или деформировать базовый материал, но мы нашли очень эффективный способ, как с этим бороться. То есть два очень важных параметра - генерируемая сила и прочность на разрыв с очень высокой точностью предсказываются еще до начала изготовления мускула.

Второе важное свойство - предельный процент сокращения, зависит от технологии. Этот показатель составляет 20-25 процентов, в точности, как в человеческих мышцах. Для каких-тов вариантов изготовления он будет 23%, для других - 24%. Регулировать его при изготовлении не надо.

Потребляемая мощность и КПД также зависят от конструкции. В процессе изготовления будет контролироваться качество сборки, но не эти параметры.

Процесс изготовления - это штамповка и последующая сборка деталей. Сборка довольно нетривиальная, я голову сломал, придумывая этот процесс.

Как управляется ваш искусственный мускул (какие сигналы используются, какие актуаторы)?

Управление последним прототипом самое примитивное - я вручную включаю и выключаю питание, подсоединяю и отсоединяю его. В будущем мускулами будет управлять контроллер, подающий низковольтные сигналы на управляющие элементы. А датчики и контроллеры будут подключаться к аналогу Motor Cortex, как в человеческом мозге.

Дело в том, что управление системой мускулов - это очень непростое дело, гораздо более сложное, чем управление электромоторами в нынешних роботах. Гораздо больше степеней свободы, надо учитывать внешние факторы, например, нагрузку, динамику движения, инерцию, траекторию, предсказанную нагрузку. Кроме того, надо учитывать возможность повреждения мускулов в системе, изменение свойств со временем или от интенсивного использования.

Радует то, что на эту тему уже очень многое сделано исследователями в университетах мира. Они использовали другие мускулы, например, пневматические или на электроактивных полимерах. Мускулы были другие, но это не так важно. Начало положено, и прогресс в этой области очень хороший.

Исследователи используют разные подходы, например, Boston Dynamics использует формулы теории походки, другие используют нейронные сети или нейрочипы для управления. Нам есть, с кем на эту тему сотрудничать.

Год назад я не знал, где мне найти подходящую систему моделирования для механизмов со скелетно-мускульной основой. Оказалось, что DARPA финансировала работу над таким продуктом, и моделировать теперь есть в чем. Продукт присутствует на рынке, его можно свободно купить.

Запатентовано ли изобретение?

Подана заявка на патент. Вначале у меня была подана Provisional Patent Application, в начале мая этого года подана заявка на конечный патент.

Патентуется базовый принцип, но это не все. Дело в том, что принцип настолько контр-интуитивный (эксперты так говорят:), что патентное поле оказалось практически пустым. Многие другие идеи, приходящие в голову в процессе работы над прототипом, оказались тоже ценными и вполне патентуемыми. В-основном это касается применений скелетно-мускульных систем, которые могут быть совсем не похожи на животное с ногами и руками.

Сколько человек в команде, кто эти люди (профессии) и какие инвестиции потребовались в проект?

Компании только пара месяцев. Основателей двое - я и мой друг, патентный консультант по профессии, но есть пара волонтеров, которые изредка помогают нам в работах. Дочка немного помогает, она тоже физик, но живет далеко - в Лос-Анджелесе. Все только начинается, были очень небольшие ангельские инвестиции, никто еще зарплаты не получал. Нам не хотелось рисковать чужими деньгами до того, как было доказано, что эффект может масштабироваться. Теперь масштабирование доказано, можно готовить производство продукта. Так что инвестиции последуют. RMUS Dynamics находится в очень правильном месте для этого - в Сан Франциско.

Какие видите сферы применения именно вашего изобретения? Роботы и ИИ с мускулами? Экзоскелеты? Орнитоптеры?

Первое, что пришло мне в голову год назад - это роботы, протезы и экзоскелеты. Я уже рассказал, что отталкивался от детской мечты о роботах. Но, если учесть некоторые особенности мускулов RMUS, возможны и другие применения.

Мы считаем, что мускулы RMUS Dynamics будут очень дешевы в производстве. Материал - пластмасса разных типов, сам по себе процесс производства очень простой. Это будет массовый продукт. Посмотрите, сколько в естественной природе мускулов ежегодно производится для червяков, насекомых, рыб, млекопитающих. Поэтому массовость производства еще больше снизит себестоимость продукта.

Мы предполагаем, что нам удастся организовать полностью автоматизированный процесс, без участия человека, это тоже удешевит продукт. И, еще одна особенность - в результате пары производственных операций могут производиться сразу сотни мускулов.

Cебестоимость средней мускульной системы не сразу, но постепенно будет несколько долларов, ну пусть даже несколько десятков долларов. Это же в корне меняет представления о том, какие применения можно предположить!

Еще одна особенность - мускулы RMUS плоские, гнущиеся, хранящие сжатие без потребления энергии.. Это означает, что их можно встраивать во всякие неожиданные поверхности. Например, в обувь, шлемы, мебель, самолеты, лодки, грузовики - везде, где требуется слегка изменить форму. Ну вот человеческая мимика - это изменение формы лица при помощи лицевых мышц, и здесь так же.

Наверное, даже протез сердца или кишки вполне можно было бы осуществить таким способом.

Самые безумные прогнозы — что дадут искусственные мышцы через 50 лет?

Самый безумный прогноз на этот счет я читал в киберпанковской книге Руди Рюкера “Wetware”. Руди Рюкер - профессор математики в San Jose State University, хотя известен и как автор фантастической прозы. Сан Хосе всего 50 миль от Сан Франциско. Это совсем рядом. “Wetware” - это одна книга серии из четырех романов. Но не буду пересказывать роман.

В сочетании с AI и недорогими нейропроцессорами искусственные мышцы действительно безумно изменят наш мир еще до достижения планки в 50 лет. Представьте себе, что каждый кирпич на стройке может самостоятельно добраться до предназначенного ему места, а самовозводящиеся и быстроменяющиеся здания - это норма.

Что мебели, как таковой, нет - дом генерирует ее, когда хозяину надо. Представьте себе искусственных насекомых и животных, у которых есть задача создавать уют и комфорт в городе. А город из пространства бетонных коробок превращается в многоярусный лес, сбалансированный и экологичный.

Понятие мусора исчезает, вначале его убирают пластмассовые уборщики, а потом мусор оказывается включен в экологическую цепочку. Представьте себе комфортный транспорт (бегающий-прыгающий-летающий-ныряющий), для которого не нужны дороги.

Представьте себе автоматические фабрики, где миллиарды манипуляторов производят все необходимое для человека. Летающие и плавающие люди, полностью трехмерный мир, а не плоский, как сейчас (небоскребы не в счет). Представьте себе новый спорт, новое искусство, новые развлечения. Мои мысленные картинки, конечно же, отличаются от фантазий военных на этот счет)).

Что из себя сегодня представляет сфера/рынок искусственных мускулов сегодня в мире? Кто ваши конкуренты? Какие компании и страны в лидерах?

На сегодня самая крупная компания, производящая пневматические и гидравлические мускулы, и аппаратуру на их основе - это компания Festo с центральным офисом в Германии. Ее годовой оборот - 2.45 миллиарда евро. И она продолжает расти.

Есть около десятка компаний, занимающихся мускулами на электроактивных полимерах (EAP). Они гораздо меньше Festo. Я знаю о нескольких компаниях, которые были куплены промышленными гигантами, эти тоже занимались мускулами, например мускулами на нитиноле.

Университеты активно исследуют разные возможности создания искусственных мускулов, и способы их применения. Я упомяну мускулы из скрученной лески, мускулы из специальных материалов, мускулы из нанотрубок.

Мускулами занимаются во многих индустриальных странах. И в лидерах те страны, что наиболее энергично занимаются роботами вообще. Это США, Япония, Китай, Южная Корея, вся Европа, особенно Германия и Италия. Интересуются этой темой и в России. Например, год назад в России проводился конкурс на лучшую идею искусственных мускулов для роботов.

Прогнозируемый объем (млрд/млн долларов)?

Если бы Беллу, изобретателю телефона, задали бы такой вопрос, он вряд ли ответил бы правильно. Вообще Белл считал, что он изобрел устройство для удаленного прослушивания концертов. Он не мог предположить, что на самом деле основал целую новую отрасль своим изобретением.

Можно оттолкнуться от нынешнего парка роботов-манипуляторов. В 2014 году промышленных манипуляторов было продано 1.5 млн штук. И это были очень дорогие манипуляторы, практически недоступные среднему и малому бизнесу. Этот рынок оценивается в $32 млрд в 2020 году. То есть каждый проданный манипулятор генерирует на $20 млн продуктов и сервисов.

В человеческой руке - 38 мускулов. Пусть в руке манипулятора их будет 30. Если каждый мускул продавать по $10 (а это очень маленькая цена), то такие манипуляторы будут доступны гораздо большему количеству покупателей, и их количество как минимум удвоится. Пусть через несколько лет будут продаваться 100 тыс индустриальных манипуляторов с нашими мускулами. Это составит выручку в $30млн только на мускулах, возможности по заработку на дополнительных продуктах и сервисах мы здесь не учитываем.

Количество бытовых роботов, проданных в 2014 году, в 3 раза превышало количество индустриальных манипуляторов. Если предположить, что RMUS будет продавать мускулов на в 3 раза меньшую сумму, это все равно добавит еще $30млн к базовым продажам.

Сколько необходимо роботов человеку? Уборщиков, развлекательных, строительных, складских, бытовых, почтовых, медицинских, и т.д. Если робот будет стоить в пределах $1000, то очень много, рискну предположить, что число роботов с конечностями и манипуляторами очень скоро сравнится с человеческим населением планеты и ежегодно будет производиться как минимум 10% от их общего количества.

Предположим, в каждом роботе будет 100 мышц. И RMUS будет обеспечивать мышцами только каждого десятого производимого робота. И каждую мышцу продавать по $1. Тогда мы получим цифру в $7 млрд. (7млрд * 10% * 10% *100) только на мышцах, без продуктов и сопутствующих сервисов. Точность такой оценки невысока, плюс-минус два порядка, но она дает хоть какое-то представление о масштабах, а ведь мы еще не учитывали возможность продавать не только мышцы, а конечные устройства и сервисы или вообще нечто вроде wetware, как описывал в своей фантастике Rudy Rucker.

Актуальные направления развития?

Мой опыт в управлении проектами новых систем показывает, что стартапу нельзя распылять силы на несколько направлений. Что лучше всего двигаться небольшими итерациями, имея обновленный работоспособный продукт после каждой итерации. Такой подход - обычное дело в software проектах, но и в hardware проектах он тоже понемногу внедряется. По слухам, в проекте Hyperloop используется именно такой подход. Говорят, что Элон Маск настаивал на его внедрении.

Сейчас мы обсуждаем с потенциальными партнерами возможные проекты. Их около десятка, и будет больше, ведь RMUS до сих не публиковал никакой информации о разработках. Но скорее всего остановимся на двух-трех таких, что предъвляют похожие требования к мускулам. Нам нужен фокус только на одном направлении, не больше, иначе не хватит денег, сил и времени. Но повороты (пивоты) возможны. Надо всегда быть к этому готовыми.

Главное направление развития вот какое - от надежного обособленного мускула к скелетно-мускульной системе, то есть к манипулятору, руке, ноге, крыльям, плавникам и другим механизмам.

Какие инвестиции вам нужны для шлифовки прототипа?

Дело это огромное, обещает целую волну новых продуктов и приложений. Все их нам не осилить, поэтому мы будем работать с партнерами, у которых уже есть проекты, требующие мускулов, или у которых есть технологии, необходимые для создания производства мускулов, рук, ног, крыльев и других механизмов.

Мои коллеги, участвовавшие в инновационных hardware-проектах, говорят, что, как минимум, для seed-стадии требуется $1 млн. Итерации в hardware-проектах дольше, цена ошибки выше, требуется оборудование и материалы. Это совпадает с моими прикидками. Далее, после организации опытного производства, потребуется на порядок больше, чтобы начать выпускать высококачественные руки, ноги, и крылья.

Есть ли уже заинтересованность в проекте со стороны серьезных компаний?

Мы не вели переговоров с большими компаниями до того, как масштабирование эффекта стало доказанным. Теперь дело другое.

Ваши личные планы на будущее? Продолжите заниматься темой искусственных мышц или есть интересы в других областях?

Этот проект - наверное, самое увлекательное приключение за всю мою жизнь. Ни в одном прежнем моем проекте не было такого большого потенциала развития, такой высокой общественной значимости, таких интересных применений. У меня вообще ощущение, что может быть создана новая большая отрасль. Представить не могу, что мне когда-нибудь это станет больше не интересно.

Если предложат вернуться в Россию и работать по теме искусственных мышц — вернетесь?

Я с большим уважением отношусь к моим российским коллегам - ученым, изобретателям, инженерам. И с удовольствием буду с ними работать, при этом не важно, где я живу, в Сан Франциско, в Москве, в Питере. Последние политические и образовательные изменения в России мне очень не по душе. Я предполагал такие изменения, потому и уехал в 2006, когда мало кто уезжал. Можно сказать, что я уже опытный футурист)). Перспектив у мускульного проекта гораздо больше в Америке, чем в России. Cкорее всего не вернусь, хотя на 100% загадывать не буду. Поживем - увидим.

Каким вы видите будущее с технологической и социальной точки зрения? Роботы с мускулатурой и ИИ придут на смену человечеству? Белковые формы жизни уступят кремниевым?

Ученые еще не разобрались в том, какой огромный потенциал есть в молекулах белка. Только первые шаги делают. Главные открытия еще впереди. Как работает человеческий мозг, тоже пока не очень ясно. Это же потрясающее устройство! Надежное, вычислительно мощное, энергии потребляет мало, работает бесшумно, довольно быстродействующее. Белковые формы жизни не уступят, им еще есть куда совершенствоваться.

Вообще на тему будущего можно много говорить. Но я затрону лишь только несколько вопросов, которые обсуждаются обществом последнее время.

Первый вопрос - это вопрос о сингулярности. Наступит ли взрывное развитие искусственного интеллекта? Рассуждения, которые приводятся на эту тему, выглядят достаточно правдоподобно. Однако, мне кажется, что в природе практически нет бесконечно развивающихся, сингулярных процессов. Обычно в какой-то точке наступает фазовый переход, и складывается новый баланс. Так и здесь, комбинаторный взрыв будет препятствовать развитию сингулярности. Скачок произойдет, но не в бесконечность. Возникнет новый уровень существования, в котором людям вполне найдется достойное место.

Второй вопрос - это не заменят ли ИИ и роботы людей, не лишат ли их работы и возможности существовать. Ходит по интернету такая страшилка. Мой ответ - ничего страшного не произойдет. Исчезнут старые профессии, возникнут новые. В свое время луддиты представить себе не могли, чем займутся ткачи, когда машины стали делать ткань быстрее и качественнее. Никто в 2016 году не переживает о том, чем занять ткачей. Сейчас есть другие профессии, которые трудно было представить в то время.

И третий вопрос - 3 закона робототехники. Да, в ближайшем будущем на каждого человека придется даже не один, а много роботов. Идея Айзека Азимова о том, что в роботах должны быть запрограммированы 3 закона робототехники, на нынешнем этапе кажется нереализуемой. Причина состоит в том, что роботов чем дальше, тем меньше можно будет программировать. Так же, как человека, их можно будет только учить. И учить их надо будет правильно, в том числе и азимовским законам.

В-общем, я верю в человечество и в прогресс.

Читайте и смотрите также:

Всем известный пластик обладает необычным свойством: он может производить электричество при растягивании или сжатии. Эта способность до сих пор используется лишь в узких отраслях, однако теперь исследователи заставили волокна этого материала вырабатывать еще больше электроэнергии, что позволяет расширить область его применения: “зеленая энергетика” , и др.

Вальтер Войт , доктор философии из университета Далласа (UT Dallas), штат Техас, и его коллеги уже не первый год работают с поливинилиденфторидом (PVDF) , и за это время достаточно хорошо его изучили. Ученые утверждают, что подобрав условия, можно сделать из него пьезоэлектрик, что означает, что при растягивании материал будет генерировать электрический ток, или, наоборот, при подведении электричества к поверхности материала – менять форму. PVDF и другие материалы с аналогичными свойствами уже нашли применение в современной технологии, например, в качестве датчиков давления в тачпадах и датчиков наклона в электронике, но если его пьезоэлектрические свойства значительно улучшатся, потенциал этого полимера вырастет в разы.

При сотрудничестве с Шэшанк Прия, доктором философии политехнического института и государственного университета Вирджинии, Войт уже сделал новый шаг к этой цели: в рамках программы Центра энергонакапливающих материалов и систем Национального научного фонда (NSF), направленной на развитие технологий накапливания и контроля передвижения энергии, ученые предприняли попытку разработать «мягкие» энергонакапливающие материалы на основе полимера . Кэри Бор , докторант лаборатории Войта, нашел способ включить фуллерены и одностенные углеродных нанотрубки в PVDF волокна (изображены на рисунке ), что позволило удвоить пьезоэлектрические свойства. Данные добавки: фуллерены – крошечные сферы из атомов углерода, а также нанотрубки – были выбраны, поскольку они обладают интересными свойствами, и уже достаточно хорошо изучены учеными в различных направлениях. Углеродные наноструктуры выравнивают и повышают общую силу электрического поля. Таким образом, по словам Войта, PVDF-углеродные гибриды являются лучшими пьезоэлектрическими композитами из описанных в настоящее время в научной литературе.

По словам Войта, чтобы включить эти нитеподобные структуры в класс “искусственных мышц” – общее название для материалов, способных сжиматься или разжиматься под действием электрического тока или температуры – нужно сделать их более мощными. Одним из способов добиться этого стала разработка Рея Бомана , доктора философии университета Далласа, который взял пучок нейлоновых волокон толщиной в десять человеческих волос и скрутил их в длинную плотную спираль наподобие старого телефонного шнура, только в миниатюрных масштабах. Такая структура может сжиматься почти на 50 процентов при нагревании и поднимать около 16 фунтов (более 7 кг). Эффект похож на скручивание ленты: если растягивать ее, когда она скручена в виде спирали, то спираль выдерживает гораздо большие нагрузки в отличие от прямой.

Войт надеется создать подобный эффект для его PVDF-углеродных волокон, которые гораздо лучшие пьезоэлектрические материалы, чем нейлон, и будут иметь лучший отклик на электрический ток. В конечном счете данные разработки могут быть использованы для создания синтетических мышц, которые могли бы сделать протезы более подвижными.

Еще одна потенциальная область применения материалов – накопление энергии. Компания Боинг, которая финансировала некоторые исследования ученых, заинтересована в использовании энергии, которую можно вырабатывать при помощи пассажиров самолета, когда они сидят, встают или устраиваются поудобней на своих местах, с помощью которой можно обеспечить, например, освещение в салоне. Это позволит авиаконструкторам убрать ненужные кабели, которые могут значительно уменьшить вес самолетов, а следовательно и экономить топливо.

Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter

24 Февраля 2014

Как изготовить искусственные мышцы из рыболовной лески

Исследователи из Техасского университета в Далласе (США) представили синтетические мышцы, которые в 100 раз мощнее настоящих мышечных волокон той же длины и массы.

При этом сама технология изготовления оказалась на удивление простой. Для искусственных мышц не понадобилось никаких изощрённых синтетических полимеров: Рэй Бофман (Ray Baughman) и его коллеги просто взяли полимерную нить из тех, которые используют для производства рыболовной лески или синтетических ниток, и скрутили её в спираль. Эта спираль при перемене температуры могла скручиваться и растягиваться. Любопытно, что техпроцесс можно было поменять и так, чтобы эффект был обратным, то есть чтобы нить при остывании скручивалась, а при нагреве растягивалась. Варьируя число нитей в пучке, можно добиваться иных механических характеристик искусственного «мышечного волокна».

Синтетические волокна, сделанные из шести нитей разной толщины:
верхнее сложено из ниток толщиной в 2,45 мм, нижнее – из ниток толщиной в 150 мкм.
(Фото авторов работы.)

И характеристики эти воистину впечатляют. Во-первых, по сравнению с обычными мышцами, которые могут сокращаться лишь на 20% от своей длины, искусственные способны уменьшаться наполовину. Быстрого утомления такие мышцы, разумеется, тоже не знают. Если объединить вместе сотню элементарных волокон, то такая мышца сможет поднять больше 700 кг. Относительно веса волокна могут развивать мощность в 7,1 л.с. на кг, что соответствует, по словам исследователей, мощности реактивного двигателя.

Двигателем же для них, как уже сказано, служит перепад температуры, обеспечить который можно как угодно – хоть с помощью химической реакции, хоть посредством электричества (да хоть своим дыханием грейте эти волокна). Что же до самих волокон, то учёные особенно напирают на исключительную простоту их изготовления: дескать, любой студент сделает такое во время обычной лабораторной, главное – соблюсти физические условия, при которых вы будете деформировать нить. Гениальность же авторов идеи в том, что им удалось в этой тривиальной полимерной конструкции угадать огромный физический потенциал.

Собственно, простота этих мышц, наверное, мешает вот так сразу оценить всю революционность изобретения. Хотя исследователи, разумеется, продемонстрировали возможное его применение: приспособленные к окну, они закрывали и открывали его в зависимости от окружающей температуры. Кроме того, из волокон удалось создать тканую материю, пористость которой опять же менялась в зависимости от температуры, а отсюда легко представить себе «умную» одежду, которая будет сама проветривать вас в жару и экономить тепло в холод.

Но, конечно, львиная доля фантазий вокруг и около искусственных мышц отдана робототехнике. Понятно, что такие волокна могут стать прямым аналогом человеческих мышц у роботов, с помощью которых те смогут даже менять выражение лица. Синтетические мышцы пригодятся как при поднятии тяжестей, так и при выполнении тонких хирургических манипуляций (если мы представим себе медицинские аппараты будущего).

В прошлом такие волокна пытались делать из углеродных нанотрубок. По словам Рэя Бофмана, который прошёл и через этот этап, эксперименты с нанотрубками были успешными, но, во-первых, такие «наномышцы» очень сложны в изготовлении и чрезвычайно дороги, а во-вторых, они сокращались всего на 10% от своей длины, то есть уступали даже обычным живым мышцам, не говоря уже о только что явленных полимерных волокнах.

У нас же есть пока только один вопрос, который касается эффективности и экономичности: сколько тепла (и, следовательно, электрической или химической энергии) нужно потратить на их механическую работу? Авторы признаются, что, как и вообще все искусственные мышцы, их волокна в этом смысле не отличаются особой эффективностью, однако есть определённые надежды, что в этом случае оптимизировать энергетические затраты получится довольно быстро.

Подготовлено по материалам Техасского университета в Далласе: Researchers Create Powerful Muscles From Fishing Line, Thread .

назад

Читать также:

06 Февраля 2014

Бионическая рука с чувством осязания

Девять лет назад датчанину Деннису Соренсену пришлось ампутировать левую руку. Разумеется, он ни на минуту не задумался, когда ему предложили испытать бионический протез, позволяющий не только выполнять движения, но и осязать предметы.

читать 22 Января 2014

Киборг-сперматозоид

Группа исследователей из Университета Иллинойса разработала новый тип крошечных биогибридных машин, способных передвигаться подобно сперматозоидам.

читать 22 Января 2014

Реабилитации парализованной ноги помогут искусственные мышцы

От парализованной стопы можно добиться почти естественной подвижности, если воспользоваться сделанным из гибкого эластичного материала ортопедическим аппаратом, имитирующим устройство мышц и связок ноги.

читать 22 Января 2014

Полимерная клетка имитирует живую

Голландские исследователи произвели искусственную эукариотную клетку, в которой находятся искусственные органеллы и протекают биохимические реакции, аналогичные реакциям, протекающим в клетках живых организмов.

читать 26 Декабря 2013

Нематода с открытым кодом

Авторы проекта OpenWorm, целью которого является создание точной компьютерной копии круглого червя C.elegans, заявили о значительных успехах в моделировании этой нематоды. Исходный код программы опубликован в открытом доступе.

Существуют яркие технологические проекты «на слуху», вроде автомобильных автопилотов или термоядерной энергетики, которые, скорее всего, очень серьезно изменят нашу жизнь. Но есть и совсем неброские на первый взгляд идеи, последствия внедрения которых могут привести к едва ли не более радикальным переменам в повседневной жизни. Самый лучший пример — «мускульная ткань», появившаяся в фантастической литературе лишь тогда, когда в лабораториях уже полным ходом шли работы по созданию металлических и полимерных искусственных мышц, в том числе и для человеческих протезов.

В современной технике в основном используются два эффективных способа совершения механической работы: термодинамический и электромагнитный. Первый основан на использовании энергии сжатого газа, как в двигателях внутреннего сгорания, паровых турбинах и огнестрельном оружии. Во втором задействованы магнитные поля, создаваемые электрическими токами, — так работают электромоторы и электромагниты. Однако в живой природе для получения механического движения используется совершенно иной подход — управляемое изменение формы объектов. Именно так работают мышцы человека и других живых существ. При поступлении нервного импульса в них запускаются химические реакции, которые приводят к сокращению или, наоборот, к растяжению мышечных волокон.

Преимущества такого «природного» привода связаны с тем, что материал меняется как целое. Это значит, что в нем нет движущихся друг относительно друга, а следовательно, трущихся и изнашивающихся частей. Кроме того, сохраняется целостность организма (или, правильнее сказать, его геометрическая связность). Движение возникает на молекулярном, или, как модно теперь говорить, наноуровне за счет небольшого сближения или удаления друг от друга атомов вещества. Это практически избавляет мышцы от инерционности, которая так характерна для всех роботов с электродвигателями. Но, конечно, у мускульного привода есть и недостатки. Если говорить о живых мышцах — это постоянный расход химических компонентов, которыми необходимо снабжать каждую клетку мышечной ткани. Такие мышцы могут служить только в качестве части сложного живого организма. Другой недостаток связан с постепенным старением материала. В живом организме клетки периодически обновляются, а вот в монолитном техническом устройстве подобное обеспечить крайне сложно. В поисках искусственных мышц ученые стремятся сохранить преимущества, свойственные движителям на основе изменения формы, и в то же время избежать их недостатков.

Память формы

Первые исследования в области искусственных мышц были напрямую связаны с эффектом памяти формы, который присущ некоторым сплавам. Он был открыт в 1932 году шведским физиком Арни Оландером (Arne Olander) на примере сплава золота с кадмием, но почти 30 лет не привлекал особого внимания. В 1961 году память формы совершенно случайно обнаружили у никель-титанового сплава, изделие из которого можно произвольно деформировать, но при нагреве оно восстанавливает свою первоначальную форму. Не прошло и двух лет, как в США появился коммерческий продукт — сплав, нитинол, получивший название по своему составу и месту разработки (NITINOL — NiTi Naval Ordnance Laboratories).

Память формы обеспечивается за счет того, что кристаллическая решетка нитинола может находиться в двух устойчивых состояниях (фазах) — мартенситном и аустенитном. При температуре выше некоторой критической весь сплав находится в аустенитной фазе с кубической кристаллической решеткой. При охлаждении сплав переходит в мартенситную фазу, в которой благодаря изменившимся геометрическим пропорциям ячеек кристаллической решетки становится пластичным. Если приложить небольшое механическое усилие, изделию из нитинола в мартенситном состоянии можно придать почти любую конфигурацию — она будет сохраняться до тех пор, пока предмет не нагреют до критической температуры. В этот момент мартенситная фаза становится энергетически невыгодной, и металл переходит в аустенитную фазу, восстанавливая прежнюю форму.

Так это выглядит в простейшем случае. На практике, конечно, на деформации есть ряд ограничений. Главное — они не должны превышать 7—8%, иначе форма уже не сможет быть полностью восстановлена. Последующие разработки позволили создать различные варианты нитиноловых сплавов. Например, есть такие, что помнят сразу две формы — одна соответствует высоким температурам, другая — низким. А при промежуточных температурах материал можно произвольно деформировать, но он вспомнит одну из двух своих форм при нагреве или охлаждении.

На сегодняшний день известно уже более десятка сплавов с памятью формы на базе разных элементов. Однако семейство нитиноловых сплавов остается самым распространенным. Эффект памяти формы в сплавах на основе NiTi четко выражен, причем диапазон температур можно с хорошей точностью регулировать от нескольких градусов до десятков, вводя в сплав различные примеси. Кроме того, нитинол недорог, удобен в обработке, устойчив к коррозии и обладает неплохими физико-механическими характеристиками: например, его предел прочности всего в 2—4 раза ниже, чем у стали.

Пожалуй, основным недостатком подобных сплавов долгое время был небольшой запас цикличности. Количество управляемых деформаций не превышало пары тысяч итераций, после чего сплав терял свои свойства.

В мгновение ока

Разрешить эту проблему смогла компания NanoMuscle. Зимой 2003 года на международной ярмарке игрушек в Нью-Йорке ею была представлена необычная кукла — Baby Bright Eyes. Игрушка очень реалистично копировала мимику глаз маленького ребенка, чего практически невозможно достичь при помощи традиционно применяемых в игрушечной индустрии микроэлектродвигателей — они слишком инерционны. При этом стоимость куклы (при серийном производстве) оценивалась всего в 50 долларов, что выглядело совсем уж фантастично.

При создании прототипа куклы инженерам компании NanoMuscle удалось преодолеть ограничения цикличности, используя наночастицы из титана и никеля, а также разработав программное обеспечение, управляющее сплавом в более щадящем режиме, поэтому жизненный цикл таких наномускулов превышает пять миллионов итераций. Наночастицы соединялись в тонкие волокна диаметром около 50 микрон, а из них сплетался провод длиной несколько сантиметров, который мог менять длину на 12—13% (еще один рекорд).

Вызывает уважение и сила устройства, получившего название NanoMuscle Actuator. При равной массе наномускул развивает мощность в тысячу раз больше, чем человеческие мышцы, и в 4 000 раз больше, чем электродвигатель, и при этом скорость его срабатывания составляет всего 0,1 секунды. Но что особенно важно, благодаря составной конструкции NanoMuscle Actuator не переходит скачком из одного состояния в другое, а может двигаться плавно с заданной скоростью.

Наномускул, используемый для приведения в движение глаз куклы, управлялся 8-битным микропроцессором и имел напряжение питания 1,8 вольта. Его расчетная цена при промышленном производстве не превышает 50 центов. Позднее было представлено целое семейство игрушек такого рода с большим числом движущихся элементов. А вскоре венчурная компания NanoMuscle была поглощена быстро растущей китайской корпорацией Johnson Electric, которая специализируется на выпуске электрических приводов для самой разной техники — от DVD-проигрывателей до автомобильных зеркал.

Примерно в это же время в Техасском университете нанотехнолог Рэй Бахман (Ray Baughman) придумал, как заставить работать металлические мышцы вовсе без электричества — напрямую от химического топлива, что может пригодиться в системах с высокими требованиями к автономности. Трос из сплава с памятью формы он покрыл платиновым катализатором и стал обдувать смесью паров метанола, водорода и кислорода. В газовой среде из-за низкой концентрации реакция практически не идет, а вот на покрытой катализатором поверхности выделялось довольно много тепла. Повышение температуры заставляло трос изменять длину, после чего поступление метанола прекращалось, и через некоторое время трос остывал и возвращался к исходной длине. Может показаться, что это не слишком удачная идея, но ведь вовсе не обязательно, чтобы задействованные металлические мышцы непосредственно приводили в движение конечности или колеса робота. Если таких мышц много и они работают попеременно, то привод оказывается вполне стабильным, а по совместительству он еще будет служить топливным элементом, вырабатывающим энергию для бортовой электроники.

Электроактивные полимеры

Но металлы с памятью формы — не единственное направление в создании искусственных мышц. Доктор Йозеф Бар-Коэн (Yoseph Bar-Cohen) из Лаборатории реактивного движения NASA занимается созданием альтернативной технологии — электроактивных полимеров (electroactive polymer — EAP) и уже получил на этом поприще 18 патентов и две медали NASA. К началу 2001 года его лаборатория могла похвастаться двумя типами искусственных мускулов.

Один из них — это полимерные ленты из углерода, кислорода и фтора. При подаче электрического тока распределение зарядов на поверхности такой ленты меняется, и она изгибается. Лаборатория доктора Бар-Коэна уже демонстрировала журналистам простой манипулятор из четырех лент, который позволяет обхватить небольшой предмет и поднять его с земли (в будущем предполагается — с поверхности другой планеты). Очевидно, что сложность и разнообразие возможных движений такого захвата зависят лишь от конфигурации полимерных лент. На видеозаписи движение подобных полимерных мышц выглядит совершенно необычно: зажатые в тиски ленты вдруг начинают гнуться вверх и вниз — сначала медленно, как лепестки цветка, но потом все быстрее, все чаще, и вот их уже даже не видно — как крыльев комара в полете.

Устройства второго типа отличаются геометрией: пластины EAP свернуты в трубочки наподобие листьев табака в сигаре. При подаче напряжения трубочки сжимаются и сдавливают эластичную сердцевину, заставляя ее вытягиваться. В NASA надеются, что такие устройства могут быть использованы в новом поколении планетоходов. Например, в одном из проектов предлагается вместо отправки одного-двух тяжелых колесных аппаратов разбросать вокруг точки посадки сотни шариков с датчиками, адаптерами беспроводной сети и приводами на основе искусственных мышц второго типа, которые позволят шарикам перепрыгивать с места на место. Это даст возможность быстро и недорого обследовать сразу целую территорию. Кстати, современные модели EAP уже обеспечивают время срабатывания меньше 0,1 секунды, двукратное удлинение толкателя и силу, в 1 000 раз превосходящую его земной вес — вполне достаточно для прыжков по далеким планетам.

Поединок с роботом

Два года назад Бар-Коэн и несколько руководителей конкурирующих лабораторий решились на небольшое шоу для популяризации своих разработок — турнир по армрестлингу с искусственной рукой. В пресс-релизе событие предварялось такой решительной фразой: «Если автоматизированная рука победит, то она откроет двери для многих новых технологий в медицине, военном деле и даже индустрии развлечений».

Выбор соперника, а точнее соперницы, устроители турнира предоставили телевизионщикам, и те предпочли старшеклассницу Панну Фелсен (Panna Felsen), которая основала в своей школе в Сан-Диего клуб робототехники. Ей предстояло побороться с тремя искусственными руками по правилам, приближенным к классическим. За их соблюдением следили двое профессиональных борцов-армрестлеров. Шоу удалось на славу, однако оно немного остудило некоторые горячие головы: ни одна рука не выстояла против безусловно красивой, но хрупкой девушки.

Первым ее соперником стал манипулятор от американской компании Environmental Robots Incorporated с двумя искусственными мускулами. Поединок с роботом продлился 24 секунды. Второй и третий соперники выдержали всего 4 и 3 секунды соответственно. Турнир выявил кроме чисто силовых проблем, которые всегда можно решить наращиванием числа полимерных пластин, и другие серьезные недостатки аппаратов. Например, третья рука, созданная в Политехническом институте штата Виргиния, использовала для активации полимера не электрические импульсы, а химические процессы. По мнению ее разработчиков, такое решение намного более естественно для будущей реализации искусственных мышц. Однако в ходе шоу в полной мере проявилась медлительность химического механизма активации: искусственная мышца начала работать лишь спустя несколько секунд после начала поединка, так что манипулятор потерпел поражение еще до того момента, как вышел на рабочий режим.

Детство чемпиона

Один из серьезных конкурентов группы Бар-Коэна — компания Artificial Muscle, чрезвычайно серьезным образом понимающая свою миссию: «Вывести на рынок твердотельные приводы, которые сделают с моторами и насосами то же, что полупроводники сделали с электронными лампами». В качестве «твердотельных» приводов в Artificial Muscle занимаются все теми же электроактивными полимерами, но, чтобы отличаться от конкурентов, используют другую аббревиатуру — EPAM (Electroactive Polymer Artificial Muscle). По мнению разработчиков, искусственные мышцы в будущем превзойдут все остальные механические приводы — электромагнитные, пневматические, гидравлические и пьезоэлектрические — по всем параметрам: стоимости, шуму, скорости, весу и удельной мощности.

Но то в будущем, а пока однослойная полимерная искусственная мышца EPAM способна развивать усилие всего 0,5 ньютона (вес 50-граммовой гири). Правда, складывая десятки таких слоев, можно получить довольно значительный эффект. Такие устройства уже сейчас предлагаются, например, производителям фотоаппаратов в качестве приводов для механизма автофокусировки.

Искусственные мышцы быстро развиваются, однако многие результаты уже скрыты за завесой коммерческой тайны, поэтому трудно говорить о том, какие показатели являются на сегодня рекордными. Но, например, способность выдерживать до 17 тысяч циклов сжатия-растяжения в секунду, заявленная Artificial Muscle, имеет высокие шансы оказаться рекордом быстродействия в мире искусственных мышц. Так же как и возможность полимерного материала изменять свою длину в 3,8 раза, достигнутая в лаборатории компании. Конечно, долго такое «издевательство» над веществом продолжаться не может, и если требуется, чтобы полимерная мышца надежно срабатывала миллионы раз, она не должна менять свою длину более чем на 15%. По крайней мере, при современном уровне развития этой отрасли.

Электромускульная броня

Но благородные научные интересы специалистов вроде доктора Йозефа Бар-Коэна не идут ни в какое сравнение с объемами финансирования и техническими возможностями лабораторий, которые не гнушаются работой на военных, вроде BAE Systems. Эта компания выполняет военные заказы практически для всех технически развитых государств мира, и поэтому информация о ее разработках появляется достаточно часто, несмотря на режим секретности.

На этот раз утечка произошла через небольшую британскую компанию H. P. White Laboratory, которая занимается в основном испытаниями на прочность защитных систем: брони, пуленепробиваемых стекол, бронежилетов. По британским законам, информация о деятельности военных и медицинских компаний не может быть полностью спрятана за секретностью патентов, поэтому по их отчетам можно косвенно проследить за развитием новых разработок в военной сфере. На этот раз исследователи предложили использовать принцип EAP для создания «брони со множественными напряжениями», которая представляет собой многослойную структуру из большого числа полимерных лент с вкраплением микрочастиц прочной керамики и определенным образом ориентированных намагниченных частиц. Пуля, которая попадает в броню, вызывает начальную деформацию и приводит к резкому смещению намагниченных частиц. За счет индукции возникает короткий электрический импульс, заставляющий полимерные ленты сжиматься, резко повышая прочность брони, поскольку частицы вкрапленной бронекерамики имеют определенный силуэт, который позволяет им при сжатии сцепляться в сплошное покрытие.

Самое главное достоинство этой системы заключается в том, что максимальная «плотность» брони образуется как раз в точке попадания пули, постепенно уменьшаясь по сторонам. В результате кинетическая энергия пули равномерно распределяется почти по всей площади бронежилета. Броня получилась хоть и объемнее, но намного легче современных аналогов. Если раньше очередь в бронежилет из автоматической винтовки не убивала человека, но гарантированно выводила его из строя минимум на десятки минут, то, по предварительным расчетам, новая защитная система не оставит даже гематом на теле солдата.

К настоящему времени искусственные мускулы используются в основном в специфических областях, традиционно имеющих мощную государственную поддержку. Гражданские и даже медицинские исследования заметно отстают от военных. Разработчики искусственных мышц тщательно охраняют секреты их производства. Например, Artificial Muscle даже никому не продает свои полимерные ленты — только готовые приводы на их основе. В какой-то момент положение оказалось столь вопиющим, что группа Бар-Коэна просто взяла и опубликовала на своем сайте несколько нехитрых рецептов изготовления электроактивных полимеров, чтобы к работе могло подключиться больше независимых исследователей. Первые общедоступные устройства, использующие основные возможности искусственных мышц, появятся уже в ближайшее десятилетие, и они имеют все шансы стать той революционной новацией, которая откроет дорогу к созданию недорогих многофункциональных самодвижущихся бытовых роботов. Да и не только роботов. По признанию доктора Бар-Коэна, разработка этой технологии очень напоминает изобретательский бум конца XIX — начала XX века: материалы легкодоступны, опыты и исследования может поставить любой студент со светлой головой, а денежные затраты минимальны.

Так что осталось запастись терпением и через десяток лет хорошенько перетряхнуть содержимое книжной полки с научной фантастикой, чтобы избавиться от безнадежно устаревших в техническом плане книг.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Еще не прошло и десяти лет со времени открытия экзотических структур - углеродных нанотрубок, но они продолжают удивлять исследователей. Углеродные нанотрубки - тончайшие листочки хорошо известного графита, свернутые в трубку диаметром от 0,7 до 1,5-2,0 нм и длиной до нескольких микрон (см. "Наука и жизнь" № 11, 1993 г.).

Высокая прочность углерод-углеродной связи, малые размеры, сетчатое строение оболочек нанотрубок (они состоят из связанных шестиугольников) и отсутствие дефектов обеспечивают их необычные механические свойства: они в 10-12 раз прочнее и в 6 раз легче стали. Нить диаметром 1 мм из таких нанотрубок могла бы выдержать 20-тонный груз, в сотни миллиардов раз больший ее собственного веса. А диаметр одиночной нанотрубки столь мал (в 50 тысяч раз меньше диаметра человеческого волоса), что нанокабель от Земли до Луны можно было бы намотать на катушку размером с маковое зернышко.

Все это вызывает немалый энтузиазм материаловедов, которые недавно вспомнили, например, даже о фантастической идее американского писателя Артура Кларка связать подъемником с Землей космический корабль на геостационарной орбите.

Необычные электронные свойства углеродных нанотрубок вот-вот найдут применение в первых дисплеях с полевыми эмиттерами и в туннельных микроскопах, они вызвали большую серию работ в попытках создать молекулярный транзистор, размер которого был бы на несколько порядков меньше самых миниатюрных из ныне существующих электронных приборов.

Еще одну область их использования наметило сообщение, ставшее научной сенсацией.

В феврале - марте 1999 г. в городке Кирхберг, что в Тироле (Австрия), состоялась 13-я Международная зимняя школа по электронным свойствам новых материалов. Среди довольно большого числа докладов по нанотрубкам общее внимание привлек доклад международной исследовательс кой группы сотрудников во главе с Рэем Баухманом (Ray Baughman), сотрудником компании "Эллайд Сигнел" (Allied Signal). Доклад был посвящен созданию искусственных мускулов и позднее изложен в статье, опубликованной в журнале "Сайенс" (Science, 1999. v. 284, N. 5418, p. 1340-1344, May 21).

Создать искусственные мускулы пытаются давно, и для решения этой задачи просматривались несколько путей. Можно, например, использовать пьезоэффект: изменение размеров кристалла или керамики при наложении электрического напряжения. Можно "играть" на способности слоистых веществ расширяться в направлении, перпендикулярном плоскости слоев, при внедрении между слоями химикатов. Но эти пути либо сложны, либо малоэффективны.

В группе Баухмана использовали иной принцип. Углеродные нанотрубки можно получать в виде листочков нанобумаги, в которых трубки перепутаны, переплетены друг с другом. Такую нанобумагу можно брать в руки, разрезать на полосы. Первые эксперименты были на удивление просты.

Исследователи приклеили две полоски нанобумаги к противоположным сторонам липкой ленты, присоединили к концам электроды и опустили в солевой раствор, обеспечивающий электропроводность. При включении электрической батареи, дающей напряжение в несколько вольт, обе полоски нанобумаги слегка удлинились, но связанная с отрицательным полюсом батареи удлинилась больше, и они изогнулись. Искусственный мускул (актюатор) действовал.

Конечно, такое устройство слишком примитивно, чтобы уже сегодня использовать его вместо бицепсов и трицепсов. Но уже ясно, что эта конструкция гораздо более перспективна, чем любая другая. Вместо солевого раствора предполагается применять проводящий полимер, создав легкий и прочный композитный материал.

Уже показано, что искусственные мускулы будут по меньшей мере втрое "сильнее" обычных, то есть смогут выдерживать гораздо большие нагрузки при тех же размерах. В отличие от металлов углеродные нанотрубки не разрушаются от усталости, могут работать при довольно высоких температурах. А используемые для их работы напряжение и сила тока невелики.

Искусственные мускулы со временем можно будет использовать для протезирования органов и отдельных мышц (скажем, сердечной). На их основе легко удастся сконструировать "руки" и "пальцы" роботов, работающих в космическом холоде или в 1000-градусную жару, в вакууме и в среде агрессивных газов.

Углеродные мускулы можно использовать и для производства энергии, поскольку, по словам Баухмана, эффект обратим: сгибание и разгибание полосок создают электрический потенциал. Соединенные в цепь элементы могут использовать энергию волн, приливов и отливов в электростанциях нового типа. Каждый автомобиль можно будет со временем снабдить легким устройством, которое при торможении станет подзаряжать аккумуляторы.