Исследователи из Техасского университета в Далласе создали мощные униполярные электрохимические мышцы из углеродных нанотрубок, которые активнее сокращаются, когда движутся быстрее. В течение более чем 15 лет исследователи из Техасского университета в Далласе и их коллеги в США, Австралии, Южной Корее и Китае изготавливали искусственные мышцы путем скручивания и намотки углеродных нанотрубок или полимерных нитей.

При изменении температур эти мышцы работают, сокращая свою длину при нагревании и возвращаясь к своей первоначальной длине при охлаждении. Однако они имеют свои ограничения.

Электрохимически управляемые мышцы из углеродных нанотрубок (УНТ) — это альтернативный подход к созданию быстрых, мощных, искусственных мышц, которые можно применить в робототехнике и других сферах. Электрохимически управляемые мышцы особенно перспективны, поскольку их эффективность преобразования энергии не ограничена термодинамическим пределом: они могут сильнее сокращаться, а также выдерживают тяжелые нагрузки, не потребляя много энергии.

Но существуют ограничения для электрохимических мышц УНТ. Во-первых, мышечное возбуждение является биполярным, это означает, что мышечное движение, расширение или сокращение изменяет направление во время потенциального сканирования. Потенциал, при котором ход меняет направление, — это потенциал нулевого заряда, а скорость, с которой потенциал изменяется во времени, это потенциальная скорость сканирования.

Другой вопрос: данный электролит стабилен только в определенном диапазоне напряжений. За пределами этого диапазона электролит разрушается. Чтобы решить эти проблемы, исследователи выяснили, что внутренние поверхности спиральных нитей углеродных нанотрубок могут быть покрыты определенным ионно-проводящим полимером, который содержит либо положительно, либо отрицательно заряженные химические группы.

Это полимерное покрытие преобразует биполярное возбуждение нитей углеродных нанотрубок в униполярное возбуждение, когда мышца действует в одном направлении во всем диапазоне стабильности электролита. Количество молекул растворителя, закачиваемых в мышцу каждым ионом, увеличивается с увеличением потенциальной скорости сканирования для некоторых униполярных мышц, это увеличивает эффективный размер ионов.

Таким образом, ход мышц может увеличиваться в 3,8 раза при увеличении потенциальной скорости сканирования, в то время как ход мышц из углеродной нанотрубки без полимерного покрытия уменьшается в 4,2 раза при тех же изменениях потенциальной скорости сканирования.