Ткань как мышца: исследователи преобразовали обычную текстильную ткань в мышечные волокна, работающие от электричества. Это стало возможным благодаря покрытию пряжи специальным полимером, который меняет свою форму под действием электричества. В зависимости от типа переплетения ткань под действием тока сжимается или расширяется. В будущем из таких текстильных приводов могут быть созданы совершенно новые экзоскелеты, например, для парализованных людей, считают исследователи в специализированном журнале «Science Advances».
«Технологические достижения в области микроэлектроники, искусственного интеллекта и исследований материалов привели к совершенно новым разработкам в области протезов, экзоскелетов и роботов», - объясняют Али Мазиз из Университета Линчепинга и его коллеги. Роботизированные экзоскелеты даже помогли парализованным людям снова ходить. Но у этих инструментов есть существенный недостаток: они жесткие и неуклюжие.
Тонкий и гибкий вместо громоздкого
Цель Мазиза и его коллег, с другой стороны, состоит в том, чтобы разработать экзоскелеты, которые были бы гибкими, как одежда, плотно прилегали бы к телу и, таким образом, могли бы оказывать пожилым или парализованным людям помощь в передвижении, не будучи замеченными.. Однако для этого требуются искусственные мышцы, которые приводятся в движение не металлическими электродвигателями или пневматически, а сделаны из ткани.
Исследователи создали такую искусственную мышечную ткань на удивление простым способом. «Объединяя одну из старейших технологий человечества, обработку текстиля посредством ткачества или вязания, с современными материалами, такими как электроактивные полимеры, мы создаем совершенно новый тип текстильного привода», - объясняют ученые.
Покрытие превращает пряжу в мышцы
Отправной точкой для ее текстильных искусственных мышц были совершенно обычные волокна целлюлозы, такие как уже используются во многих синтетических материалах в виде лиоцелла. Ученые покрыли эту пряжу проводящим полимером полипирролом (PPy). У него есть особенность: если на него подается низкое напряжение, он обратимо меняет свой объем.
Текстильные волокна, покрытые этим полимером, в результате изменяют свою толщину и длину - подобно тому, как это делают наши мышечные волокна. Если затем полимерную нить соединить в ткань путем ткачества или вязания, то все это будет выглядеть как обычный кусок ткани или трикотажа. Но когда применяется напряжение, эта ткань может сокращаться, растягиваться или сгибаться, как мышца.
Подъемный кран с текстильным мускулом
В ходе эксперимента исследователи соединили полоску текстильных мышц длиной в несколько сантиметров с подъемным краном, сделанным из LEGO. Нижняя часть ткани питалась электрохимической ячейкой. В результате мини-кран, приводимый в движение этой искусственной мышцей, приподнялся с небольшим весом. Приложенная сила соответствовала 125 миллиньютонам.
Сила, действующая на ткань, зависит от ее структуры: «Когда мы плетем пряжу, направленная наружу сила увеличивается линейно с количеством параллельных волокон», - объясняет соавтор Нильс-Кристер Перссон. из Борасского университета. Если, с другой стороны, пряжа связана и объединена в ткань с проходящими через нее петлями, ее растяжимость увеличивается более чем в 50 раз. Ввиду разнообразия возможных текстильных структур функция может быть настроена по индивидуальному заказу.
«Эти результаты демонстрируют преимущества такой текстильной технологии», - заявляют Мазиз и его коллеги. Они объясняют, что достижения в их текстильных мышцах однажды могут быть включены в одежду, которая будет служить экзоскелетом и средством передвижения для людей с ограниченными физическими возможностями или парализованными. По мнению исследователей, интеграция сенсоров в такие ткани также возможна.