Электрожидкостные волоконные мышцы: новый класс искусственных мышц для роботов и носимых устройств

Учёные из MIT Media Lab и Политехнического университета Бари (Италия) при поддержке гранта Европейского исследовательского совета представили новый класс искусственных мышечных волокон — электрожидкостные волоконные мышцы (Electrofluidic Fiber Muscles). Эти мышцы толщиной около 2 миллиметров работают без моторов, компрессоров и внешних шлангов, объединяя в себе две ключевые технологии: тонкие приводы Маккибена и миниатюрные волоконные насосы, работающие на принципах электрогидродинамики.

Плотность мощности системы достигает 50 ватт на килограмм, что сравнимо со скелетными мышцами человека, деформация сокращения составляет до 20%, а время отклика — 0,3 секунды.

Волоконные насосы
Основой технологии стали волоконные насосы, изготовленные методом намотки. Восемь нитей (шесть из термопластичного полиуретана и две из платиновой проволоки) наматываются на стальной стержень под углом около 63 градусов. При пропускании тока стержень нагревается до 180 °C, полиуретан спекается, образуя герметичную трубку. Внутренний диаметр готового насоса — 1,1 мм, наружный — 1,6 мм. Расстояние между платиновыми электродами составляет 500 мкм. Выбор учеными платины объясняется ее коррозионной стойкостью и стабильностью под высоким напряжением.

Электрогидродинамический принцип
При подаче высокого напряжения (2–8 кВ) между электродами возникает сильное электрическое поле (более 2 кВ/мм). Оно ионизирует молекулы диэлектрической жидкости (Novec 7100), создавая заряженные частицы, которые под действием кулоновской силы начинают двигаться, увлекая за собой жидкость и создавая направленный поток. Максимальная разность давлений, создаваемая волоконным насосом, достигает 300 кПа.

Тонкие приводы Маккибена
В качестве сократительного элемента системы используются тонкие приводы Маккибена: эластичные трубки из термопластичного полиуретана, поверх которых надет нейлоновый оплёточный рукав. При подаче давления внутрь трубка расширяется, но оплётка ограничивает радиальное расширение, заставляя привод укорачиваться.

Антагонистическая пара 
Исследователи реализовали в проекте одну из основополагающих концепций биологии — антагонистическую пару. Два пучка волокон соединены так, что один сокращается, а другой растягивается. Это повторяет принцип работы человеческих мышц, когда, например, при сгибании руки бицепс сокращается, а трицепс растягивается. Между пучками при этом располагается волоконный насос, который перекачивает жидкость из одного пучка в другой.

Ключевая инновация проекта - замкнутый гидравлический контур. Благодаря соединению волокон в антагонистическую пару отпала необходимость в наличии внешнего резервуара для хранения жидкости, что долгое время было главным препятствием для применения электрогидродинамических насосов в реальных проектах. Вся жидкость циркулирует внутри замкнутой системы.

Борьба с кавитацией
Ещё одно важное открытие — необходимость наличия предварительного давления в системе. Если давление внутри слишком низкое, возникает кавитация: на входе насоса образуются пузырьки пара, что приводит к дефектам в его работе. Ученым удалось решить это проблему методом подбора оптимального «смещающего» давления (около 75 кПа), что позволило предотвратить кавитацию в системе и стабильно работать при напряжениях до 8 кВ.

Результаты эксперимента
В антагонистической конфигурации использовались два пучка, каждый из которых состоял из 8 тонких приводов Маккибена и двух волоконных насосов. Вся система работает от высоковольтных (2–8 кВ), но низкотоковых источников питания (<1 мА), что безопасно для человека. При этом насосы практически бесшумны и не создают вибраций, так как в них отсутствуют движущиеся части.

Исследователи ожидают, что новый тип искусственных мышц может найти применение в протезах, экзоскелетах, мягкой робототехнике, носимых устройствах и медицинских роботах.

Полная научная статья исследования доступна на сайте Science.

Наш канал в Мах