Zaawansowane sztuczne mięśnie to klucz do lepszej przyszłości
Wyobraźcie sobie materiał, który w jednej chwili przypomina miękką gumę, by za moment stwardnieć jak stal. Takie właśnie przełomowe osiągnięcie przyszło z Korei Południowej, gdzie zespół z Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) opracował rewolucyjny sztuczny mięsień, który jest zdolny do zmiany stanu mechanicznego z miękkiego i elastycznego na sztywny, a do tego szalenie wytrzymały.
Sztuczne mięśnie to materiały zdolne do kurczenia się i rozluźniania na podobieństwo mięśni szkieletowych pod wpływem różnych bodźców zewnętrznych, a w tym impulsów elektrycznych, magnetycznych, cieplnych czy chemicznych. Ta uniwersalność sprawia, że znajdują zastosowanie w robotyce biomimetycznej, elastycznej elektronice, inteligentnych tekstyliach i rehabilitacji medycznej, a nawet w wojsku. Departament Obrony USA inwestuje obecnie 50 milionów dolarów (około 184,5 mln złotych) w rozwój tak zwanych “mundurów mięśniowych” dla żołnierzy. Sztuczne mięśnie zamontowane w rękawicach, mundurach i butach mają naśladować i rozszerzać ludzkie możliwości atletyczne.
1,25 grama kontra 5 kg. Ten sztuczny mięsień łamie zasady fizyki w praktyce
Nowy miniaturowy wynalazek waży jedynie 1,25 grama, ale imponuje możliwością uniesienia ładunku o masie 5 kilogramów, co przekracza czterotysięczną wielokrotność jego własnej wagi. Gdyby tego było mało, w stanie elastycznym materiał potrafi rozciągnąć się aż dwunastokrotnie w stosunku do swojej pierwotnej długości, zapewniając tym samym robotom niezwykły zakres ruchów. Gdy zaś sytuacja wymaga zastosowania siły, to mięsień twardnieje, zyskując zdolność podnoszenia przedmiotów o wadze sięgającej wielu kilogramów.
Czytaj też: Szukali go w kosmosie, a znaleźli na Ziemi. Wyjątkowy surowiec kosztuje 18,7 mln dol. za kg
Sekret tej technologii tkwi w podwójnie usieciowanej sieci polimerowej, która wykorzystuje dwa różne mechanizmy działania. Wiązania kowalencyjne gwarantują wytrzymałość strukturalną, podczas gdy interakcje fizyczne, aktywowane i dezaktywowane przez bodźce termiczne, odpowiadają za wyjątkową elastyczność materiału. Dodatkowo w strukturze materiału umieszczono mikrocząstki magnetyczne z modyfikowaną powierzchnią. Ich obecność umożliwia precyzyjne sterowanie ruchem mięśnia przy wykorzystaniu zewnętrznych pól magnetycznych, co stanowi istotny krok naprzód w rozwoju robotyki.
Nowy sztuczny mięsień osiąga 86,4% odkształcenia podczas skurczu, co stanowi ponad dwukrotność możliwości ludzkich mięśni. Jeszcze bardziej imponująca jest gęstość pracy wynosząca 1150 kJ/m3, która przekracza trzydziestokrotnie parametry ludzkiej tkanki mięśniowej. Potencjalne zastosowania tej technologii obejmują różnorodne dziedziny. Zaawansowane protezy zyskają możliwość adaptacji do potrzeb użytkownika, bo pozostaną miękkie podczas codziennych czynności, a stwardnieją gdy wymagana będzie większa siła. Zwinne roboty miękkie zyskają zaś zdolność poruszania się w skomplikowanych środowiskach, przeciskania przez wąskie przestrzenie i podnoszenia ciężkich przedmiotów. Wreszcie urządzenia noszone, takie jak egzoszkielety czy inteligentna odzież, będą mogły dostosowywać się do ruchów użytkownika w czasie rzeczywistym.
Czytaj też: Lżejszy od stali, twardszy niż myślisz. Ten metal wytrzymuje miliony cykli w 600°C
Chociaż koreańskie odkrycie stanowi ważny krok w kierunku rozwoju robotów współpracujących z ludźmi w naturalny i bezpieczny sposób, to pamiętajmy, że technologia wciąż znajduje się w fazie laboratoryjnej. Jej komercjalizacja prawdopodobnie zajmie jeszcze lata. Jednak sama perspektywa zatarcia granic między biologią a technologią staje się coraz bardziej realna, co niewątpliwie zmieni nasze postrzeganie interakcji człowieka z maszynami. Nie chodzi już o to, by sztuczny mięsień był najsilniejszy. Liczy się, czy potrafi być silny wtedy, kiedy trzeba i miękki dokładnie tam, gdzie dotyka człowieka.
Zaawansowane sztuczne mięśnie zmienią nasz świat na lepsze
Kluczem do praktycznego wdrożenia nie będzie już tylko maksymalna siła, ale pełna charakterystyka przełączania – od temperatury aktywacji, przez czas narastania i opadania sztywności, po histerezę cyklu. Producenci będą optymalizować różne okna pracy materiału tak, aby proteza przełączała się między stanami szybko oraz przy małym wydatku energii, a robot magazynowy utrzymywał sztywność bez ciągłego doładowywania. Ten drugi przypadek szczególnie premiuje rozwiązania z pamięcią stanu, bo jeśli sztywność można utrzymać pasywnie, to koszt energetyczny spada wykładniczo. Energetyka jest tu równie ważna, bo aktywacja cieplna bywa tania w produkcji, ale wymaga szybkiego chłodzenia. Stąd pęd ku hybrydom, które łączą ciepło z polem magnetycznym albo prądem o wysokiej częstotliwości.
Czytaj też: Wielka szansa na tańszy prąd. Opracowali atomowe paliwo o wyjątkowych właściwościach
Sterowanie też czeka mała rewolucja. Dzisiejsze SMAs czy pneumatyka wymagają dość topornych pętli regulacji. Materiał przełączalny pozwala zaszyć część logiki bezpośrednio w swojej strukturze – sterownik nie śledzi już tylko pozycji i siły, ale także rozkład sztywności w czasie i w przestrzeni. W praktyce zobaczymy lokalne profile sztywności biegnące po długości mięśnia niczym fala. Daje to zupełnie nowe możliwości w pracy z tkankami biologicznymi, ale najbardziej ekscytująco wygląda potencjalna warstwa oprogramowania. Modele cyfrowe mięśnia, uczone na danych z tysięcy cykli, będą prognozować zachowanie materiału z wyprzedzeniem i kompensować zmiany temperaturowe. Dla użytkownika efekt będzie banalny, ale pożądany – proteza nie tylko podniesie cięższy plecak, ale zrobi to płynnie, bez szarpnięcia, bo algorytm przewidział moment przełączenia i rozłożył go w czasie.