В США разработан полимер, способный выполнять функции мышц

Специалисты Университета штата Северная Каролина объявили о том, что ими разработан новый полимер, способный выполнять функции мышц. Как заявляется, подобные материалы могут совершить революцию в протезировании. Механические руки и ноги будут проектироваться по образу и подобию живых конечностей, а управление ими сможет осуществляться при помощи сигналов нервной системы.

Разработки подобных материалов ведутся с начала 90-х годов. Первопроходцами считаются ученые из Jet Propulsion Laboratory NASA. В феврале 2001 года были разработаны два типа искусственных мускулов EAP (электроактивные полимеры), представляющие собой полимерную ленту, состоящую из молекул углерода, фтора и кислорода.

При прохождении электрического импульса материал сжимался или растягивался в зависимости от полярности тока. Как тогда считалось, робот, оснащенный полимерными мышцами, мог сохранять малый вес и размеры, что делало возможным его отправку на астероиды, кометы или малые спутники планет. Но с началом нового века интерес с искусственным мускулам стали проявлять медики.

«Дело в том, что по всему миру ведется разработка протезов, управляемых силой мысли, – рассказывает РБК daily академик РАН Игорь Шевелев. — Они имеют несколько разновидностей. Можно делать протез, напрямую фиксирующий сигналы мозга через электроды, вживленные в голову или, что более предпочтительно, через электроэнцефалограф. Но есть разработки протезов, которые подключаются не к мозгу, а к нервным окончаниям на культе».

Игорь Александрович Шевелев

Несколько прототипов подобных устройств были представлены весной и летом этого года. Так, инженеры из лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса (США) разработали манипуляторы Proto 1 и Proto 2, испытанные в Реабилитационном институте Чикаго. Устройства зарекомендовали себя хорошо, но был у них и существенный недостаток. Рука Proto 2 была слишком громоздкой и тяжелой. Кроме того, электромоторы потребляли много энергии. И одним из путей решения этой проблемы ученые посчитали применение искусственных мускулов.

«Природа миллионы лет оттачивала строение высших животных, в том числе человека, и, по-видимому, при проектировании протезов необходимо все делать так, как реализовано это в живом мире, – рассказывает РБК daily ведущий инженер Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН Вадим Рощин. – Конечно, пока невозможно сделать модель, повторяющую на все 100 процентов настоящую руку, но к этому надо стремиться. Вот и было предложено применять вместо электромоторов искусственные мускулы».

Дело в том, что при относительно небольшом электрическом импульсе некоторые полимеры сжимаются и создают сравнительно высокое усилие. Так, при приложении поля 50 вольт на микрометр EAP NASA могли сжиматься примерно на 50%. Но для эффективного применения в механических устройствах этого не хватало. Исследования продолжались, и в сентябре этого года был достигнут существенный прорыв.

Химики Университета штата Северная Каролина синтезировали новый материал, способный растягиваться уже на 250% при приложении менее 40 вольт на микрометр.

«Главные преимущества нашего материала -высокая гибкость, прочность и легкость, – рассказывает один из руководителей группы исследователей Ричард Спонтак. – Это электроактивный полимер, созданный из блоксополимера и олигомера. Создан он с применением нанотехнологий. Мы выращиваем материал в лабораторных условиях и фактически еще на молекулярном уровне конструируем его заранее заданные свойства».

Richard J. Spontak

Как утверждают исследователи, в результате удалось достичь преобразования электрической энергии в механическую на уровне 90%, что является рекордом для таких материалов. При этом он не теряет своих свойств после тысячи рабочих циклов.

«Появление искусственных мускулов вполне способно сделать прорыв в разработке протезов, – продолжает Вадим Рощин. – При работе с электромоторами считываемые сигналы мозга приходится преобразовывать в команды для протеза. Для этого применяются мощные компьютеры, которые занимают место и требуют дополнительной энергии. В идеале же надо добиться того, чтобы биологические сигналы с небольшим усилением и преобразованием сами могли бы управлять искусственными мускулами. В принципе, это осуществимо. Да и множество экспериментов показали, что нервная система способна к переобучению, и управление полимерными мышцами проще осуществить, чем электромоторами».

"Конечно, той силы, которой обладают живые мускулы, полимеры достичь пока не могут, – рассказывает РБК daily заведующий лабораторией математической нейробиологии Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН Александр Фролов. – Но для инвалидов это не настолько существенно. Достаточно уже того, что они смогут переставлять какие-то предметы.

Гораздо важнее обратная связь. К примеру, если человек дотрагивается до чего-либо, то он ощущает предмет. Это важно, чтобы дозировать усилие и ничего не сломать. Современные протезы так не умеют. Но наука не стоит на месте, и уже есть разработки искусственной кожи. Она наделена сенсорами, фиксирующими прикосновение и отправляющими сигналы прямо в мозг. Человек переживает некоторое подобие боли, если он сжал протез слишком сильно. И эта область изучения свойств материалов при проектировании искусственной руки имеет не меньшую важность, чем полимерные мускулы".

http://www.plastics.ru/index.php?…

На мой взгляд, это – прорывное изобретение, которое может вызвать настоящую революцию в области протезирования, а многом инвалидам дать новую надежду на обретение «полноценного» протеза взамен утраченной конечности. Хотелось бы, чтобы и наши исследователи побыстрее разработали аналогичные материалы и создали на их основе протезы для наших инвалидов. Наверняка они будут очень признательны нашим учёным…