Moderne Roboter können viel. Aber gleichzeitig sind sie weit entfernt von menschlicher Leichtigkeit und Anmut der Bewegungen. Und der Fehler ist - unvollkommene künstliche Muskeln. Wissenschaftler aus vielen Ländern versuchen, dieses Problem zu lösen. Der Artikel widmet sich einem kurzen Überblick über ihre erstaunlichen Erfindungen.
Polymermuskeln von Wissenschaftlern aus Singapur
Ein Schritt in Richtung humanoiderer Roboter wurde kürzlich von Erfindern der National University of Singapore gemacht. Schwergewichtige Androiden werden heute von hydraulischen Systemen angetrieben. Ein wesentlicher Nachteil des letzteren ist die niedrige Geschwindigkeit. Künstliche Muskeln für Roboter, die von singapurischen Wissenschaftlern vorgestellt wurden, ermöglichen es Cyborgs, nicht nur Gegenstände zu heben, die 80-mal schwerer sind als ihr eigenes Gewicht, sondern auch so schnell wie ein Mensch.
Ein innovatives Design, das sich fünfmal in die Länge dehnt, hilft Robotern, sogar Ameisen „herumzukommen“, von denen bekannt ist, dass sie Gegenstände tragen können, die 20-mal schwerer sind als das Gewicht ihres eigenen Körpers. Polymermuskeln haben folgende Vorteile:
- Flexibilität;
- Schlagkraft;
- Elastizität;
- die Fähigkeit, seine Form in wenigen Sekunden zu ändern;
- die Fähigkeit, kinetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.
Die Wissenschaftler werden hier jedoch nicht aufhören - sie planen, künstliche Muskeln zu schaffen, die es dem Roboter ermöglichen würden, eine Last zu heben, die 500-mal schwerer ist als er selbst!
Entdeckung aus Harvard - Muskeln aus Elektroden und Elastomer
Erfinder, die an der School of Applied and Engineering Sciences der Harvard University arbeiten, haben qualitativ neue künstliche Muskeln für sogenannte "weiche" Roboter vorgestellt. Laut Wissenschaftlern steht ihre Idee, bestehend aus einem weichen Elastomer und Elektroden, die Kohlenstoffnanoröhren enth alten, in der Qualität menschlichen Muskeln in nichts nach!
Alle heute existierenden Roboter basieren, wie bereits erwähnt, auf Antrieben, deren Mechanismus Hydraulik oder Pneumatik ist. Solche Systeme werden durch Druckluft oder die Reaktion von Chemikalien angetrieben. Das macht es unmöglich, einen Roboter zu konstruieren, der so weich und schnell ist wie ein Mensch. Harvard-Wissenschaftler haben dieses Manko beseitigt, indem sie ein qualitativ neues Konzept künstlicher Muskeln für Roboter geschaffen haben.
Der neue Cyborg-"Muskel" ist eine mehrschichtige Struktur, in der Nanoröhrchen-Elektroden, die in Clarks Labor hergestellt wurden, die oberen und unteren Schichten flexibler Elastomere steuern, die von Wissenschaftlern der University of California entwickelt wurden. Solche Muskelnideal sowohl für "weiche" Androiden als auch für laparoskopische Instrumente in der Chirurgie.
Harvard-Wissenschaftler hörten nicht bei dieser wunderbaren Erfindung auf. Eine ihrer neuesten Entwicklungen ist ein Stachelrochen-Bioroboter. Seine Bestandteile sind Rattenherzmuskelzellen, Gold und Silikon.
Die Erfindung der Bauchmann-Gruppe: eine andere Art von künstlichem Muskel auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren
Bereits 1999 im australischen Kirchberg beim 13. Treffen der International Winter School on the Electronic Properties of Innovative Materials machte der Wissenschaftler Ray Bauchman, der bei Allied Signal arbeitet und eine internationale Forschungsgruppe leitet, eine Präsentation. In seinem Beitrag ging es um die Herstellung künstlicher Muskeln.
Entwickler unter der Leitung von Ray Bauchman konnten sich Kohlenstoffnanoröhren in Form von Blättern aus Nanopapier vorstellen. Die Rohre dieser Erfindung waren auf jede erdenkliche Weise verflochten und miteinander vermischt. Das Nanopapier selbst ähnelte in seinem Aussehen gewöhnlichem Papier – es konnte in Händen geh alten, in Streifen und Stücke geschnitten werden.
Das Experiment der Gruppe sah sehr einfach aus - Wissenschaftler befestigten Nanopapierstücke an verschiedenen Seiten eines Klebebands und tauchten diese Struktur in eine salzige, elektrisch leitfähige Lösung. Nachdem die Niederspannungsbatterie eingesch altet wurde, verlängerten sich beide Nanostreifen, insbesondere derjenige, der mit dem Minuspol der elektrischen Batterie verbunden war; dann kräuselte sich das Papier. Das künstliche Muskelmodell funktionierte.
Bauhman selbst sieht seine Erfindung nach einer qualitativen Modernisierungwird die Robotik erheblich verändern, da solche Kohlenstoffmuskeln, wenn sie gebeugt / gestreckt werden, ein elektrisches Potential erzeugen - sie erzeugen Energie. Darüber hinaus sind solche Muskeln dreimal stärker als Menschen, können bei extrem hohen und niedrigen Temperaturen funktionieren und für ihre Arbeit niedrige Ströme und Spannungen verwenden. Es ist durchaus möglich, es für die Prothetik menschlicher Muskeln zu verwenden.
Universität von Texas: Künstliche Muskeln aus Angelschnur und Nähgarn
Eine der auffälligsten ist die Arbeit eines Forschungsteams der University of Texas in Dallas. Sie hat es geschafft, ein Modell künstlicher Muskeln zu bekommen, das in seiner Stärke und Leistung an ein Düsentriebwerk erinnert - 7,1 PS / kg! Solche Muskeln sind hundertmal stärker und produktiver als menschliche. Aber das Erstaunlichste hier ist, dass sie aus primitiven Materialien hergestellt wurden - hochfeste Polymer-Angelschnur und Nähgarn.
Die Ernährung eines solchen Muskels ist ein Temperaturunterschied. Es besteht aus einem Nähfaden, der mit einer dünnen Metallschicht überzogen ist. In Zukunft könnten die Muskeln von Robotern jedoch durch Änderungen der Temperatur ihrer Umgebung angetrieben werden. Diese Eigenschaft lässt sich übrigens gut auf wetteranpassende Kleidung und ähnliche Hilfsmittel übertragen.
Wenn das Polymer in eine Richtung gedreht wird, schrumpft es beim Erhitzen stark und dehnt sich beim Abkühlen schnell aus, und wenn es in die entgegengesetzte Richtung gedreht wird, ist es völlig entgegengesetzt. Eine solch einfache Konstruktion kann beispielsweise einen Gesamtrotor mit einer Geschwindigkeit von 10.000 Umdrehungen/min drehen. Dazu noch solchekünstliche Muskeln aus Angelschnur, indem sie sich auf bis zu 50 % ihrer ursprünglichen Länge zusammenziehen können (beim Menschen nur um 20 %). Darüber hinaus zeichnen sie sich durch erstaunliche Ausdauer aus - dieser Muskel "ermüdet" auch nach einer Million Wiederholungen der Aktion nicht!
Von Texas nach Amur
Die Entdeckung von Wissenschaftlern aus Dallas hat viele Wissenschaftler aus der ganzen Welt inspiriert. Es gelang jedoch nur einem Robotiker, seine Erfahrung erfolgreich zu wiederholen - Alexander Nikolaevich Semochkin, Leiter des Labors für Informationstechnologie an der Belarussischen Staatlichen Pädagogischen Universität.
Am Anfang wartete der Erfinder geduldig auf neue Artikel in Science über die Massenimplementierung der Erfindung amerikanischer Kollegen. Da dies nicht geschah, beschloss der Amur-Wissenschaftler mit seinen Gleichgesinnten, das wunderbare Erlebnis zu wiederholen und mit eigenen Händen künstliche Muskeln aus Kupferdraht und Angelschnur herzustellen. Aber leider war die Kopie nicht brauchbar.
Inspiration von Skolkovo
Rückkehr zu fast aufgegebenen Experimenten Alexander Semochkin wurde durch einen Zufall gezwungen - der Wissenschaftler kam zu einer Robotikkonferenz in Skolkovo, wo er einen Gleichgesinnten aus Selenograd, den Leiter der Firma Neurobotics, traf. Wie sich herausstellte, sind die Ingenieure dieser Firma auch damit beschäftigt, Muskeln aus Angelschnüren herzustellen, die durchaus brauchbar sind.
Als Alexander Nikolaevich in seine Heimat zurückkehrte, machte er sich mit neuem Elan an die Arbeit. In anderthalb Monaten war er nicht nur in der Lage, funktionierende künstliche Muskeln zusammenzubauen, sondern auch eine Maschine zu bauen, um sie zu verdrehen, die Angelschnurspulen herstelltestrikt wiederholbar.
Verkündigung künstliche Muskulatur
Um einen fünf Zentimeter langen Muskel zu erzeugen, benötigt A. N. Semochkin mehrere Meter Draht und 20 cm gewöhnliche Angelschnur. Eine 3D-gedruckte Muskel-"Produktionsmaschine" verdreht übrigens einen Muskel in 10 Minuten. Dann wird die Struktur für eine halbe Stunde in einen auf +180 Grad Celsius erhitzten Ofen gelegt.
Du kannst einen solchen Muskel mit Hilfe von elektrischem Strom aktivieren - schließe einfach seine Quelle an den Draht an. Dadurch beginnt es sich zu erwärmen und überträgt seine Wärme auf die Angelschnur. Letzterer wird gedehnt oder zusammengezogen – je nach Muskeltyp, den das Gerät verdreht.
Pläne des Erfinders
Alexander Semochkins neues Projekt besteht darin, den geschaffenen Muskeln beizubringen, schneller in ihren ursprünglichen Zustand zurückzukehren. Dies kann durch die schnelle Abkühlung des Stromkabels unterstützt werden - der Wissenschaftler vermutet, dass ein solcher Prozess unter Wasser schneller ablaufen wird. Nach Erh alt eines solchen Muskels wird Iskanderus, ein anthropomorpher Roboter der Weißrussischen Staatlichen Pädagogischen Universität, sein erster Besitzer.
Der Wissenschaftler hält seine Erfindung nicht geheim - er veröffentlicht Videos auf YouTube und plant außerdem, einen Artikel mit detaillierten Anweisungen zur Herstellung einer Maschine zu schreiben, die Muskeln aus Angelschnur und Draht dreht.
Die Zeit steht nicht still - die künstlichen Muskeln, von denen wir Ihnen erzählt haben, werden bereits in der Endo- und Chirurgie eingesetztlaparoskopische Operationen. Und im Labor "Disney" haben sie mit ihrer Teilnahme eine funktionierende Hand zusammengebaut.
