Новый магнитный полимер позволит совершенствовать искусственные мышцы для роботов
26.01.2026
Современным мягким искусственным мышцам присуща высокая эластичность, однако они пока не способны развивать значительные усилия. Это обстоятельство серьёзно затрудняет их массовое внедрение в механику реального мира, хотя такие ткани способны изгибаться, удлиняться и закручиваться намного лучше жестких двигателей.
Их очевидные преимущества привлекают интерес инженеров и конструкторов, ведь искусственные мышцы могут пригодиться в роботах для работы в стеснённом пространстве, системах, гармонично взаимодействующих с человеческим телом, и медицинских инструментах, бережно обращающихся с живыми тканями. Но низкая физическая прочность молекул этих мягких материалов продолжает оставаться серьёзным препятствием.
Как отмечают разработчики, одним из основных критериев оценки работоспособности искусственных мышц служит величина удельной работы, показывающей количество механической энергии, передаваемое единицей объема привода, выраженной в килоджоулях на кубометр. Проще говоря, данный показатель демонстрирует, насколько эффективно материал способен перемещать или удерживать грузы сопоставимого размера. Хотя некоторые мягкие полимеры отличаются хорошей растяжимостью, создаваемое ими усилие весьма невелико, тогда как жесткие механизмы проявляют хорошую силу, но обладают минимальной подвижностью.
Разрыв шаблона: ученые придумали эффективный механизм двойного назначения
До сих пор лучшие варианты искусственных мышц сталкивались с одной и той же дилеммой: или хорошая растяжимость, или значительная сила, но оба параметра одновременно достичь не удавалось. Эластичные диэлектрики, например, отлично растягиваются, но требуют высоких энергозатрат и слабеют под напряжением. Углеродные нанотрубчатые волокна легки, но плохо переносят большие нагрузки. Жидкокристаллические эластомерные соединения элегантны в движении, но выделяют незначительное количество энергии. Даже природные мышечные ткани показывают посредственное сочетание растяжимости и энергоэффективности.
Однако ситуация изменилась благодаря новому решению корейских исследователей из Национального института науки и технологий города Ульсан. Они разработали особый полимер, обладающий беспрецедентной комбинацией прочности и эластичности. Этот материал обладает плотностью выработки энергии 1150 кДж/м³ и способностью деформироваться на 86,4 %. Новинка выводит индустрию мягких искусственных мышц на новый уровень, сообщают авторы портала Nanowerk.
Что важно, новый полимер показывает уникальную адаптацию к условиям внешней среды. Материал растягивается больше, чем в двенадцать раз относительно начальной длины, а при переходе из мягкой резиноподобной фазы в твердую, похожую на пластик, его жесткость увеличивается более чем в тысячу раз. Подобные трансформации становятся возможными благодаря уникальной молекулярной структуре полимера, основанной на комбинации двух различных типов связей.
Обнаруженная особенность наделяет материал способностью запасать и выделять энергию по команде
Одной из важнейших особенностей материала является его универсальность: при повышении температуры выше 37°C он размягчается, становясь восприимчивым к воздействию внешнего магнитного поля, способного изменять форму материала. После отключения поля полимер восстанавливает изначальную конфигурацию. Когда температура опускается ниже 27°C, сформированная структура сохраняется, аккумулируя потенциальную энергию. Повторный нагрев освобождает накопленную энергию, провоцируя сокращение и выполнение рабочей операции.
Команда исследователей провела серию опытов, подобрав оптимальное соотношение компонентов: порядка 11 грамм магнитных наполнителей и немного связующего компонента. Подобная композиция продемонстрировала выдающийся результат: степень деформации составила 86,4 %, плотность вырабатываемой энергии достигла показателя в 33 000 фут-фунт на кубический фут. Полимер сумел сохранить около 87% своей эффективности после трёхсот рабочих циклов, выдерживая нагрузку, превосходящую собственную массу в четыре тысячи раз. Показатели мощности новинки приблизились к значению 0,54 л.с./тонну, став серьезным конкурентом лучшим современным технологиям.
Реальные испытания подтверждают жизнеспособность идеи
Практическое тестирование показало, что созданный материал прекрасно справляется с работой в механических устройствах. В режиме пониженной жесткости привод легко схватывал объекты под воздействием магнетизма. Лазерный луч фокусировался на элементе, вызывая сжатие и подъем груза массой от 2,7 до 4,1 унции, восстанавливаясь на 39%-52% после окончания процесса. Результаты позволяют говорить о новом классе механизмов, превосходящем известные аналоги по диапазону достигнутых значений: аналогичные гидрогели растянутся максимум на 40-65%, обладая энергией не более 11 800 фут-фунт на кубический фут.
Их очевидные преимущества привлекают интерес инженеров и конструкторов, ведь искусственные мышцы могут пригодиться в роботах для работы в стеснённом пространстве, системах, гармонично взаимодействующих с человеческим телом, и медицинских инструментах, бережно обращающихся с живыми тканями. Но низкая физическая прочность молекул этих мягких материалов продолжает оставаться серьёзным препятствием.
Как отмечают разработчики, одним из основных критериев оценки работоспособности искусственных мышц служит величина удельной работы, показывающей количество механической энергии, передаваемое единицей объема привода, выраженной в килоджоулях на кубометр. Проще говоря, данный показатель демонстрирует, насколько эффективно материал способен перемещать или удерживать грузы сопоставимого размера. Хотя некоторые мягкие полимеры отличаются хорошей растяжимостью, создаваемое ими усилие весьма невелико, тогда как жесткие механизмы проявляют хорошую силу, но обладают минимальной подвижностью.
Разрыв шаблона: ученые придумали эффективный механизм двойного назначения
До сих пор лучшие варианты искусственных мышц сталкивались с одной и той же дилеммой: или хорошая растяжимость, или значительная сила, но оба параметра одновременно достичь не удавалось. Эластичные диэлектрики, например, отлично растягиваются, но требуют высоких энергозатрат и слабеют под напряжением. Углеродные нанотрубчатые волокна легки, но плохо переносят большие нагрузки. Жидкокристаллические эластомерные соединения элегантны в движении, но выделяют незначительное количество энергии. Даже природные мышечные ткани показывают посредственное сочетание растяжимости и энергоэффективности.
Однако ситуация изменилась благодаря новому решению корейских исследователей из Национального института науки и технологий города Ульсан. Они разработали особый полимер, обладающий беспрецедентной комбинацией прочности и эластичности. Этот материал обладает плотностью выработки энергии 1150 кДж/м³ и способностью деформироваться на 86,4 %. Новинка выводит индустрию мягких искусственных мышц на новый уровень, сообщают авторы портала Nanowerk.
Что важно, новый полимер показывает уникальную адаптацию к условиям внешней среды. Материал растягивается больше, чем в двенадцать раз относительно начальной длины, а при переходе из мягкой резиноподобной фазы в твердую, похожую на пластик, его жесткость увеличивается более чем в тысячу раз. Подобные трансформации становятся возможными благодаря уникальной молекулярной структуре полимера, основанной на комбинации двух различных типов связей.
Обнаруженная особенность наделяет материал способностью запасать и выделять энергию по команде
Одной из важнейших особенностей материала является его универсальность: при повышении температуры выше 37°C он размягчается, становясь восприимчивым к воздействию внешнего магнитного поля, способного изменять форму материала. После отключения поля полимер восстанавливает изначальную конфигурацию. Когда температура опускается ниже 27°C, сформированная структура сохраняется, аккумулируя потенциальную энергию. Повторный нагрев освобождает накопленную энергию, провоцируя сокращение и выполнение рабочей операции.
Команда исследователей провела серию опытов, подобрав оптимальное соотношение компонентов: порядка 11 грамм магнитных наполнителей и немного связующего компонента. Подобная композиция продемонстрировала выдающийся результат: степень деформации составила 86,4 %, плотность вырабатываемой энергии достигла показателя в 33 000 фут-фунт на кубический фут. Полимер сумел сохранить около 87% своей эффективности после трёхсот рабочих циклов, выдерживая нагрузку, превосходящую собственную массу в четыре тысячи раз. Показатели мощности новинки приблизились к значению 0,54 л.с./тонну, став серьезным конкурентом лучшим современным технологиям.
Реальные испытания подтверждают жизнеспособность идеи
Практическое тестирование показало, что созданный материал прекрасно справляется с работой в механических устройствах. В режиме пониженной жесткости привод легко схватывал объекты под воздействием магнетизма. Лазерный луч фокусировался на элементе, вызывая сжатие и подъем груза массой от 2,7 до 4,1 унции, восстанавливаясь на 39%-52% после окончания процесса. Результаты позволяют говорить о новом классе механизмов, превосходящем известные аналоги по диапазону достигнутых значений: аналогичные гидрогели растянутся максимум на 40-65%, обладая энергией не более 11 800 фут-фунт на кубический фут.