Alexander Sergeev: Am absolvit MIPT, Facultatea de Electronică Fizică și Cuantică. La Fizică și Tehnologie îl numesc „Quanta”. Particularitatea educației în fizică și tehnologie este că studentul, chiar înainte de a-și termina studiile, începe să lucreze în laboratorul de la departamentul de bază. Așa că, în al treilea an, am început să lucrez în laboratorul lui Alexander Nagin la Institutul de Cercetare a Problemelor Fizice, din Zelenograd. Toți ceilalți s-au ocupat de probleme fizice, iar eu, împreună cu colegul meu Volodya Veshchikov, am asamblat și programat instalații de măsurare, care la început au fost foarte simple. Apoi sarcinile au devenit mai complicate. La final, am adunat un grup și am încercat chiar să aplicăm metode de inteligență artificială în măsurarea și prezicerea proprietăților a ceea ce se măsoară. Apoi a lucrat la Institutul pentru Dezvoltarea în siguranță a Energiei Atomice al Academiei de Științe. De asemenea, am încercat să folosesc AI pentru puzzle-uri.

Și apoi a izbucnit libertatea și a devenit posibil să se creeze companii de înaltă tehnologie. Mi-am creat propria companie, Epsilon Technologies, și a durat mai bine de 15 ani. Făcut inovator produse software, întreprinderi automatizate. Unul dintre produse s-a dovedit a fi extrem de de succes, l-am numit Baikonur Web App Server. Aproximativ o sută dintre cele mai mari companii rusești l-au implementat. Aeroflot, Lukoil, Banca Centrală a Federației Ruse, Transneft, în total sunt peste o sută de mari companii rusești. Produsul a făcut posibilă crearea rapidă a aplicațiilor de internet folosind componente vizuale și a fost deosebit de bun pentru internetul corporativ intern. Atunci nu era nimic asemănător pe lume.

Apoi a apărut primul proiect de investiții New York. Apoi încă câteva. Întotdeauna mi-a plăcut să mă amestec cu idei nebunești.

În 2006, mi-am vândut companiile (Moscova și New York) și am început să lucrez ca CTO la startup-ul din California Datamash, care, de fapt, le-a cumpărat.

Apoi a lucrat în alte câteva startup-uri, a făcut-o aplicatii mobile(Intive), platforma de crowdfunding Wallandmain, sistemul electronic de publicare a manualelor Trunity, totul a funcționat mereu și s-au obținut produse foarte interesante. Dar toate acestea erau departe de fizică și de roboți. Dar era multă matematică.

Sunt mușchii artificiali principala activitate profesională astăzi sau este un proiect de hobby?

Aceasta este concentrarea mea pentru azi. Și da, tot sufletul meu este investit în acest proiect. Se dovedește foarte tare, iar aceasta este o adevărată ficțiune științifico-fantastică - ceea ce facem!

Când și de ce ți-a venit ideea de a crea mușchi artificiali?

Oh, asta e o poveste interesantă.

Cu puțin peste un an în urmă, nepoata mea căuta prin arhivele familiei și mi-a descoperit „scrisoarea către viitor”. Aveam 12 ani când i-am scris eului meu „mai bătrân”, ca să îl deschid și să-l citesc mulți, mulți ani mai târziu. L-a deschis, l-a scanat și mi-a trimis-o prin Skype. Și iată-mă, în viitor, care acum este prezentul, citindu-mi scrisoarea de la adolescentul care eram acum mulți ani. A fost o întrebare: „Ce faci acum? Probabil roboți, nu? Și mi-am amintit cum am desenat și inventat roboți și câte creioane am folosit încercând să găsesc mușchi pentru roboți. Nu mi-a ieșit nimic atunci, într-adevăr.

M-am culcat, a doua zi dimineața am luat un creion și am desenat o diagramă a unui mușchi nou. Ideea era pur matematică. Apoi mi-am dat seama de fizică - părea că ar trebui să funcționeze. Apoi am petrecut destul de mult timp să mă retrag formule fizice. Apoi am lucrat cu experți, cu prieteni în fizică și cu alți fizicieni locali.

Unul dintre experți, un fizician de la MIT, a simulat chiar dispozitivul într-un sistem de simulare. Părerile erau împărțite. Specialiștii în fizică și tehnologie au spus că ar trebui să funcționeze, fizica este corectă. Alți experți - că nu, nu va funcționa, dispozitivul are un design contra-intuitiv.

Compania dvs. RMUS Dynamics (ce înseamnă RMUS?) a fost înregistrată pe 26 februarie 2016 în San Francisco. Înainte de aceasta, ați realizat evoluții serioase sau totul a fost ocupat în iarna acestui an?

RMUS nu reprezintă nimic. Tocmai am numit mușchii RMuscles la început pentru a-l face să sune dinamic. Apoi am scurtat cuvântul și am adăugat mai multă dinamică, de aici RMUS Dynamics. Îmi place titlul.

Firma a fost de fapt înregistrată abia la sfârșitul lunii februarie. Lucrările de brevetare și discuțiile cu experții au avut loc înainte de formarea companiei.

Deci, experții americani au spus că un astfel de mușchi nu poate funcționa. A trebuit să fac un prototip primitiv pentru a dovedi că se poate. Am făcut-o, am arătat că mușchiul se contractă și întinde banda elastică de care a fost legat. Era un prototip foarte amuzant, părea foarte frivol.

După ce s-au uitat la el, experții au spus că OK, prototipul prezintă într-adevăr semne slabe de performanță, dar efectul nu este scalabil, nu poate fi puternic, indiferent de modul în care îl privești. Sincer să fiu, au vorbit foarte convingător, aproape că nu i-am crezut, aproape că am renunțat.

Fără un laborator, astfel de lucruri nu se fac de obicei. Încercați să reproduceți ceva simplu din lumea modernă folosind șurubelnițe, un fier de lipit și un ciocan. De exemplu, un scutec sau o anvelopă de mașină. Și vei înțelege cât de complexe sunt cu adevărat lucrurile simple de zi cu zi. Și aveam la dispoziție o bucătărie, un garaj și șurubelnițe și fiare de lipit. Asta e tot. A trebuit să ne dăm seama cum să ocolim limitările tehnologice fără tehnologie scumpă.

Am înregistrat compania în februarie pentru că am înțeles cum să rezolv problemele tehnologice. În urmă cu 2 zile, noul prototip a început să ridice 30 de lire sterline (13,6 kg). Efectul s-a dovedit a fi scalabil, mușchiul ar putea mișca tone.

Care este know-how-ul prototipului tău? Ce cauzează contracția musculară?

Acesta este un efect natural, majoritatea oamenilor l-au văzut de multe ori în viața lor, pur și simplu nu i s-a întâmplat nimănui că efectul ar putea genera o forță semnificativă. Și că poate fi adaptat pentru mușchi artificial. Descris de fizica capilarelor, deși acestea nu sunt tocmai capilare. Probabil, mulți au văzut termometre cu mercur, unde suprafața unei coloane de mercur nu este orizontală, ci curbată sub influența forțelor interne de tensiune. Tocmai aceste forțe se acumulează în celulele mușchiului meu artificial.

Ce proprietate principală a compozitului este utilizată în timpul contracției - posibilitatea extinderii repetate sub influența unui semnal electric sau a unui alt principiu?

Mușchiul are forma unei plăci subțiri. De exemplu, cel mai recent prototip avea 17 cm lungime, 12 cm lățime, 0,5 cm grosime Contracția provine dintr-o acțiune de control la joasă tensiune care eliberează energia stocată pentru a scurta lungimea. Lățimea rămâne neschimbată.

Dacă nu există nicio schimbare, practic nu se irosește energie. Adică, un robot cu astfel de mușchi va fi capabil să țină o greutate brațul întins, și în același timp nu transpirați și nu vă descărcați bateria. Oamenii au ceva de invidiat, mușchii lor nu sunt așa.

Alungirea unui mușchi este produsă de o forță externă care a fost aplicată mușchiului contractat, așa cum se întâmplă în mușchii umani. De exemplu, un mușchi extensor prelungește mușchiul flexor corespunzător și invers.

O altă proprietate interesantă a mușchiului nostru artificial este posibila sa recuperare de energie. În organismele vii, de regulă, fiecare mușchi are propriul său antipod. În cazul meu, energia stocată în mușchiul flexor contractat poate fi utilizată parțial în mușchiul extensor. Electricitatea nu este returnată la baterie, dar în sistemele musculo-scheletice complexe, bateria va fi folosită mai puțin.

Dar tactilitatea - mușchiul „simte” că există suficient efort pentru a prinde sau ține?

Mușchiul în sine nu simte nimic - trebuie să-l atârnați cu senzori și să-i conectați la Motor Cortex (sistemul de control). Similar muschii umani conectat prin axoni la neuronii cortexului motor (zona creierului).

Acum există dezvoltări foarte avansate ale senzorilor tactili - acesta este ceea ce vom folosi în designul nostru.

Acum există doar un prototip, creat folosind tehnologia și materialele disponibile în garaj. Aceste caracteristici se vor schimba semnificativ în timpul producției industriale. Și pot fi produse chiar și industrial căi diferite, caracteristicile vor depinde de aceasta. Cu toate acestea, până acum totul a fost în concordanță cu teoria, iar aceste caracteristici pot fi prezise destul de precis.

Alexander Sergeev: mașina de asamblare trebuia făcută din plăci

Prototipul ridică o sarcină de 30 de lire sterline în aproximativ o secundă până la jumătate de secundă. Nu urmărim viteza în această etapă - era important să dovedim că efectul este scalabil. Din câte pot judeca acum, un biceps artificial poate fi de câteva ori mai puternic decât al unui om (de exemplu, de 10 ori), se va contracta de două ori mai repede și cântărește mai puțin decât unul uman, tot de 2-3 ori.

De asemenea, este interesant faptul că astfel de mușchi pot fi folosiți pentru mașini de putere. De exemplu, un robot de construcție trebuie să fie la fel de puternic ca un elefant. Acest lucru este necesar pentru multe operațiuni. Și putem construi un robot care este de câteva ori mai puternic decât un elefant obișnuit și de câteva ori mai ușor. Acest lucru îl face foarte rapid, dar nu există inerție.

Cum este controlat procesul de fabricare a materialelor compozite cu proprietățile dorite?

Acesta nu este termenul corect pentru un mușchi - material compozit. Un mușchi este un material compozit în același sens ca un scutec pentru copii. Este format din părți și are o structură internă. La fel ca un scutec, va trebui să fie produs tipuri diferiteȘi marimi diferite. De exemplu, există 38 de mușchi diferiți în mâna omului, toți lungimi diferite si forme.

Abordarea corectă este de a produce mușchi direct de la baza scheletului. Văd acest proces ca pe o asamblare complet automată (fără intervenție umană) a unui membru sau alt dispozitiv muscular în funcție de parametrii obținuți din sistem special proiecta.

Forța generată depinde de dimensiunile geometrice ale mușchiului. Cu cât este mai mare, cu atât este mai puternic. Această proprietate este practic independentă de procesul de fabricație. Pentru mușchii foarte mari, forța generată ar putea rupe mușchiul din interior sau deforma materialul de bază, dar am găsit o modalitate foarte eficientă de a face față acestui lucru. Adică doi parametri foarte importanți - forța generată și rezistența la tracțiune sunt prezise cu o precizie foarte mare chiar înainte de începerea producției musculare.

A doua proprietate importantă este procentul maxim de reducere, care depinde de tehnologie. Această cifră este de 20-25 la sută, exact ca în mușchii umani. Pentru unele opțiuni de producție va fi de 23%, pentru altele - 24%. Nu este nevoie să-l reglați în timpul producției.

Consumul de energie și eficiența depind, de asemenea, de design. În timpul procesului de fabricație, calitatea construcției va fi controlată, dar nu acești parametri.

Procesul de fabricație presupune ștanțarea și asamblarea ulterioară a pieselor. Asamblarea este destul de netrivială, mi-am zguduit creierii venind cu acest proces.

Cum este controlat mușchiul dumneavoastră artificial (ce semnale sunt utilizate, ce dispozitive de acționare)?

Controlul celui mai recent prototip este foarte primitiv - pornesc și opresc manual alimentarea, îl conectez și îl deconectez. În viitor, mușchii vor fi controlați de un controler care furnizează semnale de joasă tensiune elementelor de control. Iar senzorii și controlerele vor fi conectate la un analog al cortexului motor, ca în creierul uman.

Cert este că controlul sistemului muscular este o chestiune foarte dificilă, mult mai complexă decât controlul motoarelor electrice la roboții actuali. Există mult mai multe grade de libertate, factorii externi trebuie luați în considerare, de exemplu, sarcina, dinamica mișcării, inerția, traiectoria, sarcina prezisă. În plus, trebuie să se țină cont de posibilitatea de deteriorare a mușchilor în sistem, de modificări ale proprietăților în timp sau de la utilizarea intensivă.

Vestea bună este că s-au făcut deja multe pe această temă de către cercetătorii din universitățile din întreaga lume. Au folosit alți mușchi, precum cei pneumatici sau polimeri electroactivi. Mușchii erau diferiți, dar asta nu este atât de important. S-a făcut un început și progresul în acest domeniu este foarte bun.

Cercetătorii folosesc abordări diferite, de exemplu, Boston Dynamics folosește formule ale teoriei mersului, alții folosesc rețele neuronale sau neurocipuri pentru control. Avem pe cineva cu care să colaborăm pe această temă.

Acum un an nu știam unde să găsesc sistem adecvat modelare pentru mecanisme cu bază scheleto-musculară. S-a dovedit că DARPA a finanțat lucrări pentru un astfel de produs, iar acum există ceva de modelat. Produsul este pe piață și poate fi achiziționat gratuit.

Invenția este brevetată?

Brevet solicitat. În primul rând, am depus o cerere de brevet provizorie, iar la începutul lunii mai a acestui an, am depus o cerere finală de brevet.

Patentat principiu de bază, dar asta nu este tot. Cert este că principiul este atât de contra-intuitiv (experții spun așa:) încât domeniul de brevete s-a dovedit a fi practic gol. Multe alte idei care mi-au venit în minte în timp ce lucram la prototip s-au dovedit, de asemenea, valoroase și destul de brevetabile. Acest lucru se referă în principal la aplicațiile sistemelor musculo-scheletice, care ar putea să nu semene deloc cu un animal cu picioare și brațe.

Câți oameni sunt în echipă, cine sunt acești oameni (profesii) și ce investiții au fost necesare în proiect?

Compania are doar câteva luni. Sunt doi fondatori - eu și prietenul meu, consultant de brevete de profesie, dar există câțiva voluntari care ne ajută ocazional cu munca noastră. Fiica mea ajută puțin, este și fizician, dar locuiește departe - în Los Angeles. Totul abia începe, au fost investiții de înger foarte mici, nimeni nu a primit încă un salariu. Nu am vrut să riscăm banii altora înainte de a se dovedi că efectul se poate extinde. Acum scalarea a fost dovedită, producția produsului poate fi pregătită. Deci vor urma investițiile. RMUS Dynamics este într-o foarte mare măsură locul potrivit pentru aceasta - în San Francisco.

Ce domenii de aplicare vedeți pentru invenția dvs.? Roboți și IA cu mușchi? Exoschelete? Ornitoptere?

Primul lucru care mi-a venit în minte în urmă cu un an au fost roboții, protezele și exoscheletele. Am spus deja că am pornit de la un vis din copilărie despre roboți. Dar dacă țineți cont de unele dintre caracteristicile mușchilor RMUS, sunt posibile și alte aplicații.

Credem că mușchii RMUS Dynamics vor fi foarte ieftin de produs. Materialul este de diferite tipuri de plastic, procesul de producție în sine este foarte simplu. Acesta va fi un produs de masă. Uită-te cât de mult mușchi este produs anual în natură pentru viermi, insecte, pești și mamifere. Prin urmare, producția de masă va reduce și mai mult costul produsului.

Presupunem că vom putea organiza un proces complet automatizat, fără intervenție umană, acest lucru va reduce și costul produsului. Și, încă o caracteristică - ca urmare a câtorva operațiuni de producție, pot fi produși sute de mușchi simultan.

Costul unui sistem muscular mediu nu va fi imediat, ci treptat va fi de câțiva dolari, sau chiar de câteva zeci de dolari. Acest lucru schimbă fundamental ideile despre ce aplicații pot fi avute în vedere!

O altă caracteristică este că mușchii RMUS sunt plati, îndoibili și păstrează compresia fără a consuma energie, ceea ce înseamnă că pot fi încorporați în tot felul de suprafețe neașteptate. De exemplu, în încălțăminte, căști, mobilier, avioane, bărci, camioane - oriunde unde este necesară o ușoară schimbare de formă. Ei bine, expresiile faciale umane sunt modificări ale formei feței folosind muschii faciali, și aici este la fel.

Probabil, chiar și o proteză de inimă sau intestin ar putea fi făcută în acest fel.

Cele mai nebunești previziuni - ce vor da mușchii artificiali peste 50 de ani?

Am citit cea mai nebunească predicție despre acest scor din cartea cyberpunk „Wetware” de Rudy Ruecker. Rudy Rucker este profesor de matematică la Universitatea de Stat din San Jose, deși este cunoscut și ca autor de proză științifico-fantastică. San Jose este la doar 50 de mile de San Francisco. Este foarte aproape. „Wetware” este o carte dintr-o serie de patru romane. Dar nu voi relua romanul.

Combinați cu inteligența artificială și procesoarele neuronale cu costuri reduse, mușchii artificiali ne vor schimba cu adevărat lumea în moduri nebunești înainte de a ajunge la 50 de ani. Imaginați-vă că fiecare cărămidă de pe un șantier poate ajunge în mod independent la locul dorit, iar clădirile care se ridică singure și se schimbă rapid sunt norma.

Nu există mobilier ca atare - casa îl generează atunci când proprietarul are nevoie de el. Imaginați-vă insecte și animale artificiale a căror sarcină este să creeze confort și confort în oraș. Și orașul se transformă dintr-un spațiu de cutii de beton într-o pădure cu mai multe niveluri, echilibrată și prietenoasă cu mediul.

Conceptul de gunoi dispare, mai intai este indepartat de agentii de curatat plastic, iar apoi gunoiul este inclus in lantul ecologic. Imaginați-vă un transport confortabil (alergare-sărire-zburare-scufundare), care nu necesită drumuri.

Imaginați-vă fabrici automate, în care miliarde de manipulatori produc tot ce are nevoie o persoană. Oameni care zboară și înoată, o lume complet tridimensională și nu plată, așa cum este acum (zgârie-norii nu contează). Imaginați-vă un nou sport, o nouă artă, un nou divertisment. Pozele mele mentale, desigur, diferă de fanteziile militarilor în acest sens)).

Cum este industria/piața mușchilor artificiali în lume astăzi? Cine sunt concurenții tăi? Ce companii și țări sunt în frunte?

Astăzi, cea mai mare companie care produce mușchi pneumatici și hidraulici și echipamente bazate pe aceștia este Festo, cu sediul în Germania. Cifra de afaceri anuală este de 2,45 miliarde de euro. Și continuă să crească.

Există aproximativ o duzină de companii care lucrează la mușchii polimeri electroactivi (EAP). Sunt mult mai mici decât Festo. Știu câteva companii care au fost cumpărate de giganții din industrie care se ocupau și de mușchi, cum ar fi mușchii nitinol.

Universitățile explorează în mod activ diferite posibilități de a crea mușchi artificiali și modalități de utilizare a acestora. Voi aminti muschi din fir de pescuit rasucit, muschi din materiale speciale, muschi din nanotuburi.

Antrenamentul muscular este practicat în multe țări industrializate. Iar liderii sunt acele țări care sunt cel mai energic implicate în roboți în general. Acestea sunt SUA, Japonia, China, Coreea de Sud, toată Europa, în special Germania și Italia. Oamenii din Rusia sunt și ei interesați de acest subiect. De exemplu, în urmă cu un an în Rusia a fost organizată o competiție pentru cea mai buna idee mușchi artificiali pentru roboți.

Volumul proiectat (miliard/milion de dolari)?

Dacă Bell, inventatorul telefonului, i s-ar pune o astfel de întrebare, cu greu ar răspunde corect. În general, Bell credea că a inventat un dispozitiv pentru ascultarea de la distanță a concertelor. Nu și-ar fi putut imagina că a fondat de fapt o nouă industrie cu invenția sa.

Puteți începe de la flota actuală de manipulatoare robotizate. În 2014, au fost vândute 1,5 milioane de unități de manipulatoare industriale. Și aceștia erau manipulatori foarte scumpi, practic inaccesibili întreprinderilor mijlocii și mici. Această piață este evaluată la 32 de miliarde de dolari în 2020. Adică, fiecare manipulator vândut generează 20 de milioane de dolari în produse și servicii.

Există 38 de mușchi în mâna omului. Să fie 30 dintre ei în mâna manipulatorului Dacă fiecare mușchi este vândut pentru 10 USD (și acesta este un preț foarte mic), atunci astfel de manipulatoare vor fi disponibile pentru un număr mult mai mare de cumpărători, iar numărul lor se va dubla cel puțin. Să se vândă peste câțiva ani 100 de mii de manipulatori industriali cu mușchii noștri. Acest lucru se va ridica la 30 de milioane de dolari în venituri numai din muschi, potențial de câștig din produse suplimentareși servicii pe care nu le luăm în considerare aici.

Numărul de roboți de uz casnic vânduți în 2014 a fost de 3 ori mai mare decât numărul de manipulatori industriali. Presupunând că RMUS vinde mușchi pentru de 3 ori mai puțin, asta ar adăuga încă 30 de milioane de dolari la vânzările de bază.

De câți roboți are nevoie o persoană? Curățeni, divertisment, construcții, depozit, casnic, poștal, medical etc. Dacă robotul costă în jur de 1000 de dolari, atunci mult, m-aș aventura să presupun că numărul de roboți cu membre și manipulatori va fi foarte curând egal cu populația umană a planetei și cel puțin 10% din numărul lor total va fi produs anual. .

Să presupunem că fiecare robot are 100 de mușchi. Și RMUS va furniza mușchi doar fiecărui al zecelea robot produs. Și vinde fiecare mușchi cu 1 USD. Atunci vom obține o cifră de 7 miliarde de dolari (7 miliarde * 10% * 10% * 100) doar pe muschi, fără produse și servicii conexe. Precizia unei astfel de estimări nu este mare, plus sau minus două ordine de mărime, dar oferă cel puțin o idee despre scară și încă nu am luat în considerare posibilitatea de a vinde nu numai mușchi, ci și dispozitive finale. și servicii, sau chiar ceva de genul umezelii, așa cum este descris în ficțiunea mea Rudy Rucker.

Direcții actuale de dezvoltare?

Experiența mea în gestionarea proiectelor de noi sisteme arată că un startup nu își poate împrăștia eforturile în mai multe direcții. Că cel mai bine este să te miști în iterații mici, având un produs actualizat și funcțional după fiecare iterație. Această abordare este comună în proiectele software, dar este introdusă treptat și în proiectele hardware. Potrivit zvonurilor, proiectul Hyperloop folosește exact această abordare. Ei spun că Elon Musk a insistat asupra implementării acesteia.

În prezent, discutăm despre posibile proiecte cu potențiali parteneri. Sunt aproximativ o duzină de ele și vor mai fi, pentru că RMUS nu a publicat încă nicio informație despre evoluții. Dar cel mai probabil ne vom concentra pe două sau trei care solicită mușchii la fel. Trebuie să ne concentrăm doar pe o singură direcție, nu mai mult, altfel nu vom avea suficienți bani, efort și timp. Dar viraje (pivote) sunt posibile. Trebuie să fim întotdeauna pregătiți pentru asta.

Direcția principală de dezvoltare este aceasta - de la un mușchi izolat de încredere la sistemul scheletal-muscular, adică la un manipulator, braț, picior, aripi, aripioare și alte mecanisme.

Ce fel de investiție aveți nevoie pentru a lustrui prototipul?

Aceasta este o afacere uriașă, promițând un întreg val de produse și aplicații noi. Nu ne putem descurca pe toate, așa că vom lucra cu parteneri care au deja proiecte care necesită mușchi sau care au tehnologiile necesare pentru a crea producția de mușchi, brațe, picioare, aripi și alte mecanisme.

Colegii mei care au participat la proiecte hardware inovatoare spun că este necesar cel puțin 1 milion de dolari pentru etapa de început Iterațiile în proiectele hardware sunt mai lungi, costul unei erori este mai mare și sunt necesare echipamente și materiale. Acest lucru coincide cu estimările mele. În plus, după organizarea producției pilot, va fi nevoie de un ordin de mărime mai mult pentru a începe producerea de brațe, picioare și aripi de înaltă calitate.

Companiile serioase sunt deja interesate de proiect?

Nu am negociat cu companii mari până nu s-a dovedit efectul de scalare. Acum e diferit.

Care sunt planurile tale personale pentru viitor? Veți continua să lucrați pe tema mușchilor artificiali sau aveți interese în alte domenii?

Acest proiect este probabil cea mai incitantă aventură din întreaga mea viață. Niciunul dintre proiectele mele anterioare nu a avut un potențial de dezvoltare atât de mare, o semnificație socială atât de mare sau aplicații atât de interesante. De fapt, am sentimentul că s-ar putea crea o nouă mare industrie. Nu-mi pot imagina că nu voi mai fi vreodată interesat de asta.

Dacă îți propun să te întorci în Rusia și să lucrezi pe tema mușchilor artificiali, te vei întoarce?

Am un mare respect pentru colegii mei ruși - oameni de știință, inventatori, ingineri. Și voi fi bucuros să lucrez cu ei, indiferent unde locuiesc, în San Francisco, Moscova, Sankt Petersburg. Chiar nu-mi plac ultimele schimbări politice și educaționale din Rusia. Am anticipat astfel de schimbări, motiv pentru care am plecat în 2006, când puțini oameni plecau. Puteți spune că sunt deja un futurist cu experiență)). Proiectul muscular are perspective mult mai mari în America decât în ​​Rusia. Cel mai probabil nu mă voi întoarce, deși nu voi fi 100% sigur. Așteaptă și vezi.

Cum vedeți viitorul din punct de vedere tehnologic și social? Roboții cu mușchi și IA vor înlocui umanitatea? Formele de viață proteice vor face loc celor de siliciu?

Oamenii de știință nu și-au dat seama încă ce potențiale enorme au moleculele de proteine. Se fac doar primii pași. Principalele descoperiri urmează să vină. Cum funcționează creierul uman nu este încă foarte clar. Acesta este un dispozitiv uimitor! Fiabil, puternic din punct de vedere computațional, consumă puțină energie, funcționează silențios și este destul de rapid. Formele de viață proteice nu vor da randament, mai au loc de îmbunătățire.

În general, putem vorbi mult despre viitor. Dar voi atinge doar câteva probleme care au fost discutate de societate în ultima vreme.

Prima întrebare este întrebarea singularității. Va veni dezvoltare explozivă inteligenţă artificială? Argumentele date pe această temă par destul de plauzibile. Cu toate acestea, mi se pare că în natură nu există practic procese singulare, care se dezvoltă la nesfârșit. De obicei, la un moment dat are loc o tranziție de fază și apare un nou echilibru. Deci aici, o explozie combinatorie va împiedica dezvoltarea unei singularități. Saltul se va produce, dar nu la infinit. va apărea nou nivel existență în care oamenii își vor găsi un loc demn.

A doua întrebare este dacă AI și roboții vor înlocui oamenii și îi vor priva de locurile de muncă și de oportunitatea de a exista. Există o asemenea poveste de groază pe internet. Răspunsul meu este că nu se va întâmpla nimic rău. Vechile profesii vor dispărea, vor apărea altele noi. La un moment dat, ludiții nu-și puteau imagina ce ar face țesătorii când mașinile au început să producă țesături mai rapid și de mai bună calitate. Nimeni în 2016 nu este îngrijorat de ce să facă cu țesătorii. Acum există și alte profesii greu de imaginat la acea vreme.

Iar a treia întrebare sunt cele 3 legi ale roboticii. Da, în viitorul apropiat nu vor fi unul, ci mulți roboți pentru fiecare persoană. Ideea lui Isaac Asimov că roboții ar trebui programați cu cele 3 legi ale roboticii pare irealizabilă în stadiul actual. Motivul este că, cu cât roboții se depărtează, cu atât vor fi mai puțin programabili. La fel ca o persoană, ei pot fi doar învățați. Și vor trebui să fie predați corect, inclusiv legile lui Asimov.

În general, cred în umanitate și progres.

Citește și vezi și:

Plasticul binecunoscut are o proprietate neobișnuită: poate produce electricitate atunci când este întins sau comprimat. Această capacitate este încă folosită doar în industriile înguste, dar acum cercetătorii au făcut ca fibrele acestui material să genereze și mai multă electricitate, ceea ce îi permite să-și extindă domeniul de aplicare: "energie verde", si etc.

Walter Voight, Ph.D. de la Universitatea din Dallas (UT Dallas), Texas, și colegii săi au lucrat fluorură de poliviniliden (PVDF), iar în acest timp au studiat-o destul de bine. Oamenii de știință susțin că, selectând condițiile, este posibil să se facă un piezoelectric din acesta, ceea ce înseamnă că atunci când este întins, materialul va genera un curent electric sau, dimpotrivă, atunci când electricitatea este furnizată la suprafața materialului, va schimba forma. PVDF și alte materiale cu proprietăți similare și-au găsit deja utilizare în tehnologia modernă, cum ar fi senzorii de presiune din touchpad-uri și senzorii de înclinare din electronică, dar dacă proprietățile sale piezoelectrice sunt îmbunătățite semnificativ, potențialul acestui polimer va crește exponențial.

În colaborare cu Shashank Priya, Ph.D., Virginia Polytechnic Institute și State University, Voight a realizat deja nou pasîn acest scop: ca parte a programului Centrului pentru Materiale și Sisteme de Stocare a Energiei al Fundației Naționale de Știință (NSF) care vizează dezvoltarea tehnologiilor pentru stocarea și controlul mișcării energiei, oamenii de știință au încercat să dezvolte Materiale „moale” pe bază de polimeri care stochează energie. Carey Bohr, un doctorand în laboratorul lui Voight, a găsit o modalitate de a încorpora fulerene și nanotuburi de carbon cu un singur perete în fibrele PVDF ( prezentată în imagine), ceea ce a făcut posibilă dublarea proprietăților piezoelectrice. Acești aditivi: fullerene - sfere minuscule de atomi de carbon, precum și nanotuburi - au fost aleși pentru că au proprietăți interesante și au fost deja destul de bine studiate de oamenii de știință din diverse direcții. Nanostructurile de carbon uniformizează și măresc puterea generală a câmpului electric. Astfel, potrivit lui Voight, hibrizii PVDF-carbon sunt cele mai bune compozite piezoelectrice descrise în prezent în literatura științifică.

Potrivit lui Voight, pentru a include aceste structuri asemănătoare filamentului în clasa „mușchilor artificiali” - un nume general pentru materiale care pot fi comprimate sau descleșate sub influența curent electric sau temperatură - trebuie să le faceți mai puternice. O modalitate de a realiza acest lucru a fost dezvoltarea Rhea Bomana, Ph.D., de la Universitatea din Dallas, care a luat un mănunchi de fibre de nailon grosimea a zece fire de păr uman și le-a răsucit într-o spirală lungă și strânsă, ca un vechi cablu telefonic, doar la o scară miniatură. O astfel de structură se poate micșora cu aproape 50% atunci când este încălzită și poate ridica aproximativ 16 lire (mai mult de 7 kg). Efectul este similar cu răsucirea unei panglici: dacă o întindeți în timp ce este răsucită sub formă de spirală, spirala poate rezista mult sarcini grele spre deosebire de drept.

Voight speră să creeze un efect similar cu fibrele sale de carbon PVDF, care sunt materiale piezoelectrice mult mai bune decât nailonul și vor avea un răspuns mai bun la curentul electric. În cele din urmă, aceste dezvoltări ar putea fi folosite pentru a crea mușchi sintetici care ar putea face protezele mai mobile.

O altă aplicație potențială pentru materiale este stocarea energiei. Boeing, care a finanțat unele dintre cercetările oamenilor de știință, este interesată să exploateze energia care poate fi generată de pasagerii avioanelor în timp ce stau, stau în picioare sau se simt confortabil pe scaune, care ar putea fi folosită pentru a alimenta, de exemplu, iluminatul cabinei. Acest lucru va permite proiectanților de aeronave să elimine cablurile inutile, care pot reduce semnificativ greutatea aeronavei și, prin urmare, pot economisi combustibil.

Ați observat o greșeală? Selectați-l și apăsați Ctrl+Enter

24 februarie 2014

Cum să faci mușchi artificiali din firul de pescuit

Cercetătorii de la Universitatea Texas din Dallas (SUA) au prezentat mușchi sintetici care sunt de 100 de ori mai puternici decât fibrele musculare reale de aceeași lungime și masă.

În același timp, tehnologia de producție în sine s-a dovedit a fi surprinzător de simplă. Pentru mușchii artificiali, nu au fost necesari polimeri sintetici sofisticați: Ray Baughman și colegii săi au luat pur și simplu un fir de polimer din cei folosiți pentru producție. linia de pescuit sau fire sintetice și l-au răsucit într-o spirală. Această spirală s-ar putea răsuci și întinde atunci când temperatura se schimba. Este curios ca procesul tehnic ar putea fi modificat astfel incat efectul sa fie invers, adica astfel incat firul sa se onduleze la racire si sa se intinda la incalzire. Variând numărul de fire dintr-un mănunchi, este posibil să se obțină diferite caracteristici mecanice ale „fibrei musculare” artificiale.

Fibre sintetice realizate din șase fire de grosimi diferite:
cel de sus este din fire de 2,45 mm grosime, cel de jos este din fire de 150 microni grosime.
(Fotografia autorilor lucrării.)

Și aceste caracteristici sunt cu adevărat impresionante. În primul rând, în comparație cu mușchii obișnuiți, care se pot contracta doar cu 20% din lungime, cei artificiali se pot micșora la jumătate. Oboseala rapid nici astfel de mușchi, desigur, nu știu. Dacă combinați o sută de fibre elementare împreună, un astfel de mușchi poate ridica mai mult de 700 kg. Față de greutatea lor, fibrele pot produce 7,1 cai putere. pe kg, care corespunde, potrivit cercetătorilor, puterii unui motor cu reacție.

Motorul pentru ei, așa cum am menționat deja, este o diferență de temperatură, care poate fi realizată în orice mod - fie cu ajutorul unei reacții chimice, fie prin electricitate (sau chiar încălziți aceste fibre cu respirația). În ceea ce privește fibrele în sine, oamenii de știință subliniază în special simplitatea excepțională a fabricării lor: ei spun că orice student va face acest lucru în timpul unui laborator obișnuit, principalul lucru este să observi condițiile fizice în care vei deforma firul. Geniul autorilor ideii este că au reușit să ghicească potențialul fizic enorm din această structură trivială de polimer.

De fapt, simplitatea acestor mușchi probabil face dificilă aprecierea imediată a caracterului revoluționar al invenției. Deși cercetătorii au demonstrat, bineînțeles, posibila sa aplicație: adaptată la fereastră, l-au închis și deschis în funcție de temperatura din jur. În plus, a fost posibilă crearea țesăturii din fibre, a cărei porozitate s-a schimbat din nou în funcție de temperatură, iar de aici este ușor să vă imaginați haine „inteligente” care vă vor ventila la căldură și vă vor economisi căldura la frig. .

Dar, desigur, cea mai mare parte din fanteziile legate de mușchii artificiali este dată roboticii. Este clar că astfel de fibre pot deveni un analog direct al mușchilor umani la roboți, cu ajutorul cărora își pot schimba chiar expresiile faciale. Mușchii sintetici vor fi folositori atât la ridicarea greutăților, cât și la efectuarea unor manipulări chirurgicale delicate (dacă ne imaginăm dispozitivele medicale ale viitorului).

În trecut, s-au făcut încercări de a face astfel de fibre din nanotuburi de carbon. Potrivit lui Ray Boughman, care a trecut prin această etapă, experimentele cu nanotuburi au avut succes, dar, în primul rând, astfel de „nanomușchi” sunt foarte greu de fabricat și extrem de scumpi, iar în al doilea rând, au fost reduse cu doar 10% din lungimea lor, adică , erau inferioare chiar și mușchilor vii obișnuiți, ca să nu mai vorbim de fibrele polimerice nou descoperite.

Deocamdată, avem o singură întrebare, care se referă la eficiență și economie: câtă căldură (și, prin urmare, electrică sau energie chimica) trebuie cheltuite pentru lucrările lor mecanice? Autorii admit că, la fel ca toți mușchii artificiali în general, fibrele lor în acest sens nu sunt deosebit de eficiente, dar există anumite speranțe că în acest caz se va putea optimiza destul de rapid costurile energetice.

Adaptat de la Universitatea din Texas din Dallas: Cercetătorii creează mușchi puternici din firul de pescuit, fir.

înapoi

Citeste si:

06 februarie 2014

Mână bionică cu simțul tactil

În urmă cu nouă ani, Dane Dennis Sorensen a trebuit să-i fie amputat brațul stâng. Bineînțeles, nu s-a gândit nici un minut când i s-a oferit să testeze o proteză bionică care îi permite nu doar să efectueze mișcări, ci și să atingă obiecte.

citit 22 ianuarie 2014

sperma cyborg

S-a dezvoltat o echipă de cercetători de la Universitatea din Illinois tip nou mici mașini bio-hibride care se pot mișca ca sperma.

citit 22 ianuarie 2014

Mușchii artificiali vor ajuta la reabilitarea unui picior paralizat

Mobilitatea aproape naturală poate fi realizată de la un picior paralizat dacă utilizați unul din material elastic flexibil. aparat ortopedic, imitând structura mușchilor și ligamentelor piciorului.

citit 22 ianuarie 2014

O celulă polimerică o imită pe una vie

Cercetătorii olandezi au produs o celulă eucariotă artificială, care conține organele artificiale și suferă reacții biochimice similare cu cele care apar în celulele organismelor vii.

citit 26 decembrie 2013

Nematod cu sursă deschisă

Autorii proiectului OpenWorm, care își propune să creeze o copie exactă pe computer a viermilor rotunzi C.elegans, au anunțat un succes semnificativ în modelarea acestui nematod. Codul sursă al programului este publicat în domeniul public.

Există proiecte tehnologice strălucitoare despre care se „auzi”, cum ar fi mașinile autonome sau energia termonucleară, care sunt susceptibile să ne schimbe serios viața. Dar există și idei care sunt destul de discrete la prima vedere, consecințele implementării lor pot duce la schimbări aproape mai radicale în viața de zi cu zi. Cel mai bun exemplu este „țesutul muscular”, care a apărut în literatura științifico-fantastică doar atunci când munca era deja în plină desfășurare în laboratoare pentru a crea mușchi artificiali din metal și polimer, inclusiv pentru protezarea umană.

Tehnologia modernă folosește în principal două moduri eficiente efectuarea de lucrări mecanice: termodinamice şi electromagnetice. Primul se bazează pe utilizarea energiei gazoase comprimate, ca în motoarele cu ardere internă, turbinele cu abur și arme de foc. Al doilea implică câmpuri magnetice create de curenții electrici, care este modul în care funcționează motoarele electrice și electromagneții. Cu toate acestea, în natura vie, se folosește o abordare complet diferită pentru a obține o mișcare mecanică - schimbare controlată a formei obiectelor. Exact așa funcționează mușchii oamenilor și ai altor creaturi vii. Când sosește un impuls nervos, în ei se declanșează reacții chimice, care duc la contracția sau, dimpotrivă, întinderea fibrelor musculare.

Avantajele unei astfel de acționări „naturale” se datorează faptului că materialul se schimbă în ansamblu. Aceasta înseamnă că nu există piese care se mișcă una față de cealaltă și, prin urmare, nu există piese de frecare și uzură. În plus, se păstrează integritatea organismului (sau, mai corect, coerența sa geometrică). Mișcarea are loc la nivel molecular sau, așa cum este acum la modă să spunem, nanonivel datorită abordării ușoare sau îndepărtării atomilor unei substanțe unul de celălalt. Acest lucru practic scutește mușchii de inerția care este atât de caracteristică tuturor roboților cu motoare electrice. Dar, desigur, unitatea musculară are și dezavantajele ei. Dacă vorbim despre mușchii vii, acesta este un consum constant de componente chimice care trebuie furnizate fiecărei celule. tesut muscular. Astfel de mușchi pot servi doar ca parte a unui organism viu complex. Un alt dezavantaj este asociat cu îmbătrânirea treptată a materialului. Într-un organism viu, celulele sunt reînnoite periodic, dar într-un mod monolitic dispozitiv tehnic Acest lucru este extrem de greu de realizat. În căutarea mușchilor artificiali, oamenii de știință caută să păstreze avantajele sistemelor de propulsie cu schimbare de formă evitând în același timp dezavantajele acestora.

Memoria formelor

Prima cercetare a mușchilor artificiali a fost direct legată de efectul de memorie a formei care este inerent unor aliaje. A fost descoperit în 1932 de către fizicianul suedez Arne Olander folosind un aliaj de aur și cadmiu, dar nu a atras prea multă atenție timp de aproape 30 de ani. În 1961, memoria formei a fost descoperită accidental într-un aliaj de nichel-titan, un produs din care poate fi deformat în mod arbitrar, dar când este încălzit își restabilește forma inițială. Au trecut mai puțin de doi ani de când în Statele Unite a apărut un produs comercial - un aliaj, nitinol, numit după compoziția și locul de dezvoltare (NITINOL NiTi Naval Ordnance Laboratories).

Memoria formei este asigurată datorită faptului că rețeaua cristalină a nitinolului poate fi în două stări (faze) stabile - martensitică și austenitică. La temperaturi peste o anumită temperatură critică, întregul aliaj este în fază austenitică cu o rețea cristalină cubică. La răcire, aliajul trece în faza martensitică, în care, datorită proporțiilor geometrice modificate ale celulelor rețelei cristaline, devine plastic. Dacă se aplică o forță mecanică mică, un produs nitinol în stare martensitică poate primi aproape orice configurație, acesta va fi menținut până când obiectul este încălzit la o temperatură critică. În acest moment, faza martensitică devine energetic nefavorabilă, iar metalul trece în faza austenitică, redându-și forma anterioară.

Așa arată în cel mai simplu caz. În practică, desigur, există o serie de restricții privind deformarea. Principalul lucru este că acestea nu ar trebui să depășească 78%, altfel forma nu va mai putea fi complet restaurată. Evoluțiile ulterioare au făcut posibilă crearea diverse opțiuni aliaje de nitinol. De exemplu, sunt cei care își amintesc două forme deodată: una corespunde temperaturilor ridicate, cealaltă celor scăzute. Și la temperaturi intermediare, materialul poate fi deformat în mod arbitrar, dar își va aminti una dintre cele două forme ale sale atunci când este încălzit sau răcit.

Astăzi, sunt cunoscute mai mult de o duzină de aliaje cu memorie de formă bazate pe diferite elemente. Cu toate acestea, familia de aliaje nitinol rămâne cea mai comună. Efectul memoriei formei în aliajele pe bază de NiTi este clar pronunțat, iar intervalul de temperatură poate fi controlat cu o precizie bună de la câteva grade la zeci prin introducerea diferitelor impurități în aliaj. În plus, nitinolul este ieftin, ușor de prelucrat, rezistent la coroziune și are caracteristici fizice și mecanice bune: de exemplu, rezistența sa la tracțiune este de numai 2x4 ori mai mică decât cea a oțelului.

Poate că principalul dezavantaj al unor astfel de aliaje pentru o lungă perioadă de timp a fost marja mică de ciclicitate. Numărul deformațiilor controlate nu a depășit câteva mii de iterații, după care aliajul și-a pierdut proprietățile.

Într-o clipită

NanoMuscle a reușit să rezolve această problemă. În iarna anului 2003, la târgul internațional de jucării din New York, ea a prezentat o păpușă neobișnuită Baby Bright Eyes. Jucăria a copiat foarte realist expresiile faciale ale ochilor unui copil mic, ceea ce este aproape imposibil de realizat cu ajutorul motoarelor microelectrice utilizate în mod tradițional în industria jucăriilor - sunt prea inerțiale. În același timp, costul păpușii (în producție de masă) a fost estimat la doar 50 de dolari, ceea ce arăta absolut fantastic.

La crearea prototipului de păpușă, inginerii NanoMuscle au reușit să depășească limitările ciclismului folosind nanoparticule de titan și nichel, precum și dezvoltarea de software care controlează aliajul într-un mod mai blând, astfel încât ciclul de viață al unor astfel de nanomușchi depășește cinci milioane de iterații. Nanoparticulele au fost conectate în fibre subțiri cu un diametru de aproximativ 50 de microni și din ele a fost țesut un fir de câțiva centimetri lungime, care ar putea modifica lungimea cu 12 x 13% (o altă înregistrare).

Puterea dispozitivului, numit NanoMuscle Actuator, este de asemenea impresionantă. La masa egala, nanomuschiul produce de o mie de ori mai multa putere decat muschii umani si de 4.000 de ori mai multa putere decat un motor electric, in timp ce functioneaza la doar 0,1 secunde. Dar ceea ce este deosebit de important este că datorită designului compozit, NanoMuscle Actuator nu sare de la o stare la alta, ci se poate mișca fără probleme la o anumită viteză.

Nanomușchiul folosit pentru a mișca ochii păpușii era controlat de un microprocesor de 8 biți și avea o tensiune de alimentare de 1,8 volți. Prețul său estimat pentru producția industrială nu depășește 50 de cenți. Ulterior, a fost introdusă o întreagă familie de jucării de acest fel cu un număr mare de elemente în mișcare. Și în curând, compania de risc NanoMuscle a fost absorbită de corporația chineză în creștere rapidă Johnson Electric, care este specializată în producție. acționări electrice pentru o mare varietate de echipamente, de la playere DVD la oglinzi auto.

Aproximativ în același timp, la Universitatea din Texas, nanotehnologul Ray Baughman și-a dat seama cum să facă mușchii metalici să funcționeze fără electricitate deloc, direct din combustibil chimic, care ar putea fi util în sistemele cu cerințe mari de autonomie. A acoperit un cablu dintr-un aliaj cu memorie de formă cu un catalizator de platină și a început să-l sufle cu un amestec de metanol, hidrogen și vapori de oxigen. Într-un mediu gazos, din cauza concentrației scăzute, reacția practic nu are loc, dar s-a eliberat destul de multă căldură pe suprafața acoperită cu catalizator. O creștere a temperaturii a forțat cablul să își schimbe lungimea, după care aprovizionarea cu metanol s-a oprit, iar după un timp cablul s-a răcit și a revenit la lungimea inițială. Aceasta poate să nu pară o idee grozavă, dar nu este necesar ca mușchii metalici implicați să conducă direct membrele sau roțile robotului. Dacă există mulți astfel de mușchi și funcționează alternativ, atunci unitatea se dovedește a fi destul de stabilă și, în combinație, va servi și ca o celulă de combustibil care generează energie pentru electronicele de bord.

Polimeri electroactivi

Dar metalele cu memorie de formă nu sunt singura direcție în crearea mușchilor artificiali. Dr. Joseph Bar-Cohen de la Jet Propulsion Laboratory al NASA dezvoltă o tehnologie alternativă numită polimer electroactiv (EAP) și a primit deja 18 brevete și două medalii NASA în acest domeniu. Până la începutul anului 2001, laboratorul său se lăuda cu două tipuri de mușchi artificiali.

Una dintre ele este benzile polimerice din carbon, oxigen și fluor. Când se aplică un curent electric, distribuția sarcinilor pe suprafața unei astfel de benzi se modifică și aceasta se îndoaie. Laboratorul Dr. Bar-Cohen a demonstrat deja jurnaliştilor un simplu manipulator format din patru panglici, care vă permite să apucaţi un obiect mic şi să-l ridicaţi de la sol (în viitor, se presupune că ar fi de pe suprafaţa altei planete) . Este evident că complexitatea și varietatea posibilelor mișcări ale unei astfel de prinderi depind doar de configurația benzilor polimerice. În înregistrarea video, mișcarea unor astfel de mușchi polimerici pare complet neobișnuită: benzile, prinse într-un menghină, încep brusc să se îndoaie în sus și în jos - la început încet, ca petalele unei flori, dar apoi mai repede și mai des și acum nici măcar nu se mai văd – ca aripile unui țânțar în zbor.

Dispozitivele de al doilea tip diferă în geometrie: plăcile EAP sunt rulate în tuburi ca frunzele de tutun dintr-un trabuc. Când se aplică tensiune, tuburile comprimă și comprimă miezul elastic, făcându-l să se întindă. NASA speră că astfel de dispozitive pot fi folosite într-o nouă generație de rover. De exemplu, un proiect propune, în loc să trimită unul sau două vehicule grele cu roți, să împrăștie sute de bile cu senzori, adaptoare de rețea fără fir și dispozitive de acționare bazate pe mușchi artificiali de al doilea tip în jurul punctului de aterizare, care vor permite bile să sară. din loc in loc. Acest lucru va face posibilă examinarea rapidă și ieftină a unei întregi zone simultan. Apropo, modelele EAP moderne oferă deja un timp de acționare de mai puțin de 0,1 secunde, o alungire dublă a împingătorului și o forță de 1.000 de ori mai mare decât greutatea sa pământească - suficient pentru a sări pe planete îndepărtate.

Duelează-te cu un robot

În urmă cu doi ani, Bar-Cohen și câțiva șefi de laboratoare concurente au decis să organizeze un mic spectacol pentru a-și populariza evoluțiile - un turneu de lupte cu braț artificial. Comunicatul de presă a introdus evenimentul cu următoarea frază decisivă: „Dacă brațul automatizat va câștiga, va deschide ușa multor tehnologii noi în medicină, afaceri militare și chiar în industria divertismentului”.

Organizatorii turneului au lăsat alegerea unui adversar, sau mai bine zis a unui rival, echipajului de televiziune, și au ales-o pe eleva de liceu Panna Felsen, care a fondat un club de robotică la școala ei din San Diego. A trebuit să lupte cu trei mâini artificiale după reguli apropiate de cele clasice. Respectarea lor a fost monitorizată de doi luptători profesioniști. Spectacolul a avut un mare succes, dar i-a răcorit puțin pe niște fire fierbinți: nicio mână nu a putut sta împotriva unei fete fără îndoială frumoase, dar fragile.

Primul ei adversar a fost manipulatorul de la companie americană Roboți de mediu Încorporați cu doi mușchi artificiali. Lupta cu robotul a durat 24 de secunde. Al doilea și al treilea adversar au durat doar 4, respectiv 3 secunde. Turneul a scos la iveală, pe lângă problemele pur de putere, care pot fi oricând rezolvate prin creșterea numărului de plăci polimerice, și alte neajunsuri grave ale aparatelor. De exemplu, al treilea braț, creat la Virginia Tech, a folosit procese chimice mai degrabă decât impulsuri electrice pentru a activa polimerul. Potrivit dezvoltatorilor săi, o astfel de soluție este mult mai naturală pentru implementarea viitoare a mușchilor artificiali. Cu toate acestea, în timpul spectacolului, lentoarea mecanismului de activare chimică a fost pe deplin dezvăluită: mușchiul artificial a început să lucreze la doar câteva secunde după începerea luptei, astfel încât manipulatorul a fost învins chiar înainte de a ajunge în modul de funcționare.

Copilăria unui campion

Unul dintre principalii concurenți ai grupului Bar-Cohen este Artificial Muscle, care își ia misiunea extrem de în serios: „Aduceți pe piață drive-uri cu stare solidă care fac pentru motoare și pompe ceea ce au făcut semiconductori pentru tuburile vidate”. Artificial Muscle folosește aceiași polimeri electroactivi ca și drive-urile „solid-state”, dar pentru a se diferenția de concurenți, folosesc o abreviere diferită EPAM (Electroactive Polymer Artificial Muscle). Potrivit dezvoltatorilor, mușchii artificiali în viitor vor depăși toate celelalte acționări mecanice - electromagnetice, pneumatice, hidraulice și piezoelectrice - în toate privințele: cost, zgomot, viteză, greutate și densitate de putere.

Dar asta se va întâmpla în viitor, dar deocamdată mușchiul artificial cu un singur strat polimer EPAM este capabil să dezvolte o forță de doar 0,5 Newton (greutatea unei greutăți de 50 de grame). Adevărat, prin adăugarea a zeci de astfel de straturi, puteți obține un efect destul de semnificativ. Astfel de dispozitive sunt deja oferite, de exemplu, producătorilor de camere ca unități pentru mecanismul de focalizare automată.

Mușchii artificiali se dezvoltă rapid, dar multe rezultate sunt deja ascunse în spatele unui văl de secrete comerciale, așa că este dificil să vorbim despre care indicatori bat record astăzi. Dar, de exemplu, capacitatea de a rezista până la 17 mii de cicluri de compresie-extensie pe secundă, declarată de Artificial Muscle, are șanse mari să fie un record de viteză în lumea mușchilor artificiali. Precum și capacitatea materialului polimeric de a-și schimba lungimea de 3,8 ori, realizată în laboratorul companiei. Desigur, o astfel de „batere” a unei substanțe nu poate continua mult timp și, dacă un mușchi polimeric este necesar să funcționeze în mod fiabil de milioane de ori, nu ar trebui să-și schimbe lungimea cu mai mult de 15%. Cel puțin la nivelul actual de dezvoltare al acestei industrii.

Armura electromusculară

Însă nobilele interese științifice ale specialiștilor precum Dr. Joseph Bar-Cohen nu pot fi comparate cu cantitatea de finanțare și capabilitățile tehnice ale laboratoarelor care nu ezită să lucreze pentru armată, precum BAE Systems. Această companie execută ordine militare pentru aproape toate țările dezvoltate din punct de vedere tehnic din lume și, prin urmare, informațiile despre evoluțiile sale apar destul de des, în ciuda regimului de secret.

De această dată, scurgerea s-a produs printr-o mică companie britanică, H. P. White Laboratory, care este implicată în principal în testarea rezistenței sistemelor de protecție: armuri, sticlă antiglonț, armătură. Conform legilor britanice, informațiile despre activitățile companiilor militare și medicale nu pot fi complet ascunse în spatele secretului brevetelor, astfel încât rapoartele acestora pot urmări indirect dezvoltarea noilor evoluții în sfera militară. De data aceasta, cercetătorii au propus utilizarea principiului EAP pentru a crea „armuire de stres multiplu”, care este o structură multistrat a unui număr mare de panglici polimerice intercalate cu microparticule de ceramică durabilă și particule magnetizate orientate într-un anumit fel. Un glonț care lovește armura provoacă deformarea inițială și duce la o deplasare bruscă a particulelor magnetizate. Datorită inducției, are loc un impuls electric scurt, determinând comprimarea benzilor de polimer, crescând brusc rezistența armurii, deoarece particulele de ceramică de armură încorporată au o anumită siluetă, care le permite să adere la o acoperire continuă atunci când sunt comprimate.

Cel mai important avantaj al acestui sistem este că „densitatea” maximă a armurii se formează exact în punctul de impact al glonțului, scăzând treptat pe laterale. Ca urmare, energia cinetică a glonțului este distribuită uniform pe aproape întreaga zonă a armurii. Armura s-a dovedit a fi mai voluminoasă, dar mult mai ușoară decât omologii săi moderni. Dacă mai devreme există o linie în vesta antiglonț de la pușcă automată nu a ucis o persoană, dar i s-a garantat că o va incapacita pentru cel puțin zeci de minute, apoi, conform calculelor preliminare, noul sistem de protecție nu va lăsa nici măcar vânătăi pe corpul soldatului.

Până în prezent, mușchii artificiali sunt folosiți în principal în zone specifice care au, în mod tradițional, un sprijin puternic guvernamental. Cercetările civile și chiar cele medicale sunt considerabil în urmă cu cercetările militare. Dezvoltatorii de mușchi artificiali păzesc cu atenție secretele producției lor. De exemplu, Artificial Muscle nici măcar nu își vinde nimănui benzile sale polimerice - doar unități gata făcute pe baza acestora. La un moment dat, situația s-a dovedit a fi atât de gravă încât grupul lui Bar-Cohen a publicat pur și simplu câteva rețete simple pentru fabricarea polimerilor electroactivi pe site-ul său web, astfel încât mai mulți cercetători independenți să se poată implica în muncă. Primele dispozitive disponibile public care folosesc capabilitățile de bază ale mușchilor artificiali vor apărea în următorul deceniu și au toate șansele să devină inovația revoluționară care va deschide calea spre crearea de roboți de uz casnic multifuncționali, autopropulsați, ieftini. Și nu numai roboți. Potrivit dr. Bar-Cohen, dezvoltarea acestei tehnologii amintește foarte mult de boom-ul inventiv de la sfârșitul secolului al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea: materialele sunt ușor accesibile, experimentele și cercetările pot fi efectuate de orice student cu capul limpede și costurile băneşti sunt minime.

Așa că nu mai rămâne decât să aveți răbdare și, după zece ani, să scuturați temeinic conținutul raftului de cărți științifico-fantastice pentru a scăpa de cărțile care sunt iremediabil depășite în termeni tehnici.

Știință și viață // Ilustrații

Știință și viață // Ilustrații

Nu au trecut nici măcar zece ani de la descoperirea unor structuri exotice - nanotuburi de carbon, dar acestea continuă să-i uimească pe cercetători. Nanotuburile de carbon sunt cele mai subțiri frunze de grafit binecunoscut, rulate într-un tub cu un diametru de 0,7 până la 1,5-2,0 nm și o lungime de până la câțiva microni (vezi „Știința și viața” nr. 11, 1993).

Rezistența ridicată a legăturii carbon-carbon, dimensiunea mică, structura de plasă a carcasei de nanotuburi (sunt formate din hexagoane conectate) și absența defectelor asigură proprietățile lor mecanice neobișnuite: sunt de 10-12 ori mai puternice și de 6 ori mai ușoare decât oțelul. Un fir cu un diametru de 1 mm din astfel de nanotuburi ar putea rezista la o sarcină de 20 de tone, de sute de miliarde de ori mai mare decât acesta. greutatea proprie. Iar diametrul unui singur nanotub este atât de mic (de 50 de mii de ori mai mic decât diametrul unui păr uman) încât un nanocable de la Pământ la Lună ar putea fi înfășurat pe o bobină de dimensiunea unei semințe de mac.

Toate acestea trezesc un entuziasm considerabil în rândul oamenilor de știință din materiale, care și-au amintit recent, de exemplu, chiar și ideea fantastică a scriitorului american Arthur C. Clarke de a conecta o navă spațială pe orbită geostaționară cu un ascensor la Pământ.

Proprietățile electronice neobișnuite ale nanotuburilor de carbon sunt pe cale să-și găsească drumul în primele afișaje cu emițător de câmp și microscoape cu tunel și au determinat o mulțime de lucrări pentru a încerca să creeze un tranzistor molecular care ar avea ordine de mărime mai mic ca dimensiune decât cel mai mic. dispozitive electronice existente.

Un alt domeniu al utilizării lor a fost conturat de un mesaj care a devenit o senzație științifică.

În februarie - martie 1999, a 13-a Internațională scoala de iarna asupra proprietăților electronice ale materialelor noi. Printre un număr destul de mare de rapoarte despre nanotuburi, raportul unui grup internațional de cercetare condus de Ray Baughman, angajat al companiei Allied Signal, a atras atenția generală. Raportul a fost dedicat creării mușchilor artificiali și a fost prezentat ulterior într-un articol publicat în revista Science (Science, 1999. v. 284, N. 5418, p. 1340-1344, 21 mai).

Ei au încercat să creeze mușchi artificiali de mult timp și au fost explorate mai multe modalități de a rezolva această problemă. Puteți, de exemplu, să utilizați efectul piezoelectric: modificarea dimensiunii unui cristal sau a unei ceramice atunci când este aplicată o tensiune electrică. Puteți „juca” cu capacitatea substanțelor stratificate de a se extinde într-o direcție perpendiculară pe planul straturilor atunci când sunt introduse între straturile de substanțe chimice. Dar aceste moduri sunt fie complicate, fie ineficiente.

Grupul lui Bauchman a folosit un alt principiu. Nanotuburile de carbon pot fi obținute sub formă de foi de nanohârtie, în care tuburile sunt încurcate și împletite între ele. O astfel de nanohârtie poate fi ridicată și tăiată în benzi. Primele experimente au fost surprinzător de simple.

Cercetătorii au lipit două benzi de nanohârtie pe părțile opuse ale benzii adezive, au atașat electrozi la capete și le-au scufundat într-o soluție salină care oferă conductivitate electrică. Când a fost pornită o baterie electrică care producea o tensiune de câțiva volți, ambele benzi de nanohârtie s-au alungit ușor, dar cea conectată la borna negativă a bateriei s-a alungit mai mult și s-au îndoit. Mușchiul artificial (actuatorul) a acționat.

Desigur, un astfel de dispozitiv este prea primitiv pentru a fi folosit astăzi în loc de bicepși și tricepși. Dar este deja clar că acest design este mult mai promițător decât oricare altul. În loc de soluție salină Este planificat să se utilizeze un polimer conductiv, creând un material compozit ușor și durabil.

S-a demonstrat deja că mușchii artificiali vor fi de cel puțin trei ori „mai puternici” decât cei normali, adică vor putea rezista la sarcini mult mai mari la aceeași dimensiune. Spre deosebire de metale, nanotuburile de carbon nu se descompun din cauza oboselii și pot funcționa la temperaturi destul de ridicate. Și tensiunea și curentul utilizate pentru funcționarea lor sunt mici.

Mușchii artificiali pot fi utilizați în cele din urmă pentru a proteza organe și mușchi individuali (să zicem, inima). Pe baza acestora, va fi ușor să construiți „mâinile” și „degetele” roboților care operează în frigul spațiului sau la căldură de 1000 de grade, în vid și într-un mediu cu gaze agresive.

Mușchiul de carbon poate fi folosit și pentru a produce energie deoarece, potrivit lui Bauchman, efectul este reversibil: îndoirea și extinderea benzilor creează un potențial electric. Elementele conectate într-un lanț pot folosi energia valurilor, refluxurilor și fluxurilor într-un nou tip de centrală electrică. Fiecare mașină ar putea fi echipată în cele din urmă cu un dispozitiv ușor care să reîncarce bateriile la frânare.