Wyniki najnowszych badań sugerują, że ten moment mógł nadejść. Konstrukcje z włóknistych materiałów funkcjonalnych osiągają już parametry działania, które wyraźnie górują nad możliwościami tkanki mięśniowej ssaków. Otwiera to zupełnie nowe pole do projektowania zaawansowanych systemów mechanicznych, choć droga od prototypu do powszechnego zastosowania wciąż jest długa.
Jak zbudowane są i co napędza sztuczne mięśnie włókniste?
Klucz do sukcesu leży w odejściu od ślepego kopiowania biologii. Choć sztuczne mięśnie inspirują się budową naturalnych tkanek, ich działanie opiera się na innych, często bardziej wydajnych z punktu widzenia inżynierii, zasadach. Podstawą są specjalnie zaprojektowane włókna, które zmieniają swój kształt lub wymiary pod wpływem konkretnego bodźca zewnętrznego. Aktywatorem może być prąd elektryczny, światło, ciepło, wilgoć lub nawet obecność określonej substancji chemicznej.
Zamiast dominującego w biologii ruchu opartego na rozciąganiu, wiele sztucznych konstrukcji wykorzystuje efekt skręcania. Ta różnica fundamentalnie poszerza możliwości projektowe. Ruch generowany jest głównie dzięki trzem wewnętrznym mechanizmom: przemieszczeniom cząsteczek w materiale, zmianom jego objętości lub modyfikacji odstępów pomiędzy poszczególnymi włóknami. Odpowiedni dobór materiału i struktury pozwala precyzyjnie sterować tym, jak włókno zareaguje na bodziec, umożliwiając skręcanie, rozciąganie, zginanie lub generowanie czystej siły bez zmiany długości.
W zależności od przeznaczenia, stosuje się różne metody pobudzania sztucznych mięśni, a każda z nich przynosi imponujące, choć inne, rezultaty
W kategorii prędkości bezkonkurencyjna okazuje się aktywacja skrętna. Rekord należy do kompozytu z nanorurek węglowych i polimeru, który po podgrzaniu może wykonać ponad jedenaście tysięcy obrotów w ciągu minuty. Nieco wolniej, ale nadal nieprawdopodobnie szybko, kręci się włókno ze stopu niklu i tytanu sterowane impulsem elektrycznym i cieplnym.
Czytaj też: Przyspieszenie w finansach. Naukowcy z KAIST uczą AI, jak wyjaśniać decyzje 11 razy szybciej
Jeśli chodzi o maksymalne wydłużenie, to prym wiodą mięśnie oparte na spiralnie skręconych nitkach. Rejestrowane odkształcenia sięgają tysięcy procent, co oznacza, że włókno może stać się dziesiątki razy dłuższe niż w stanie spoczynku. Najbardziej przekonujące pod względem czystej siły są jednak systemy działające w trybie izometrycznym. Tutaj sztuczne mięśnie na bazie nylonu lub wzorowane na strukturach wytwarzanych przez małże generują naprężenia liczone w dziesiątkach megapaskali. Dla porównania, mięśnie szkieletowe człowieka czy innych ssaków osiągają wartości około 0,35 MPa. Różnica jest więc naprawdę ogromna.
Aktywacja zginająca z kolei pozwala na odtwarzanie najbardziej złożonych, przypominających biologiczne, ruchów. Przykładem może być włókno, które zgina się w określonym kierunku pod wpływem wiązki lasera. Sterując pozycją i kątem padania światła, można precyzyjnie kontrolować ruch, co ma kluczowe znaczenie dla zaawansowanej robotyki.
Gdzie można wykorzystać te innowacje?
Teoretyczne możliwości wykorzystania tej technologii są ogromne i sięgają wielu dziedzin. W medycynie mogłyby posłużyć do tworzenia superprecyzyjnych narzędzi mikrochirurgicznych, samoczynnie zaciskających się opasek tamujących krwawienie czy dynamicznych, wspomagających rehabilitację egzoszkieletów. W robotyce, szczególnie w jej miękkiej odnodze, sztuczne mięśnie dają nadzieję na konstruowanie maszyn poruszających się z gracją i płynnością organizmów żywych, czy to na lądzie, czy w wodzie.
Kolejnym fascynującym kierunkiem są inteligentne tekstylia. Wyobraźmy sobie odzież, która samodzielnie dostosowuje swoją przepuszczalność powietrza lub izolację termiczną w reakcji na zmieniającą się temperaturę otoczenia, zwiększając bezpieczeństwo użytkownika w trudnych warunkach.
Czytaj też: Apollo w akcji. Google DeepMind uczy roboty rozumieć nieznane
Jak to jednak zwykle bywa, samo rozwiązanie i obiecujące wyniki laboratoryjne to nie wszystko. Naukowcy wciąż stoją przed poważnymi przeszkodami. Skalowalna i ekonomiczna produkcja zaawansowanych włókien wciąż jest wyzwaniem. Niezbędne są również długoterminowe testy wytrzymałościowe i badania nad integracją sztucznych mięśni z innymi komponentami, takimi jak czujniki, źródła energii i systemy sterowania. Bez tego pozostaną one jedynie ciekawostką naukową.
Prace badawcze koncentrują się obecnie na kilku frontach. Jednym z nich jest dążenie do większej autonomii, czyli wbudowania w strukturę włókna funkcji sensorycznych, obliczeniowych i nawet pozyskiwania energii z otoczenia. Równolegle trwają poszukiwania tańszych i bardziej zrównoważonych materiałów, na przykład pochodzenia naturalnego, które mogłyby obniżyć koszty produkcji. Ostatecznym celem jest wypełnienie luki między systemami biologicznymi a syntetycznymi, tworząc nową generację funkcjonalnych materiałów o bezprecedensowej wydajności i uniwersalności. Realizacja tego celu, choć niepewna, mogłaby faktycznie zmienić oblicze nowoczesnej techniki.