Искусственные мышцы

2024: Запущена первая в России лаборатория управляемых бионических систем. Там создают «искусственные мышцы» для людей и роботов

В сентябре 2024 года стало известно о работе первой в России лаборатории управляемых бионических систем. Она работает на базе Сеченовского университета и занимается созданием «искусственных мышц» для людей и роботов. Подробнее здесь

2023

В России разработали искусственные мышцы, работающие от переменного тока

В Первом МГМУ им. Сеченова создали искусственные мышцы на основе гидрогеля из поливинилового спирта, которые активируются переменным током. Об этом разработке пресс-служба вуза рассказала в начале октября 2023 года.

Разработанные мышцы состоят из актуаторов на основе гидрогелей. Это устройства, способные под воздействием электричества менять свой размер и форму за счет диффузии анионов и катионов к аноду и катоду. Раньше такие устройства имели низкую скорость срабатывания, а также при превышении электрического напряжения могли легко выйти из строя.

В Сеченовском университете создали искусственные мышцы на основе гидрогеля из поливинилового спирта

Чтобы решить эти проблемы, ученые разработали актуаторы на основе гидрогеля из поливинилового спирта, активируемого переменным током. При воздействии переменного тока ионы не движутся к электродам, а колеблются на месте, поэтому происходит равномерный нагрев всего гидрогеля и изменение формы актуатора. Чтобы достичь необходимого эффекта требуется около трех секунд. Актуатор с армирующей сеткой в виде спирали способен растягиваться до 60%, а актуатор с плетеной сеткой способен сокращаться более чем на 20%.

Как сообщили в Сеченовском университете, актуаторы на основе ионных электроактивных полимеров (гидрогелей) — это устройства, способные под воздействием электричества менять свой размер и форму за счет диффузии анионов и катионов к аноду и катоду, соответственно, что приводит к набуханию, сжатию или изгибу актуатора при приложении постоянного электрического тока.

Использовать такие актуаторы можно в различных областях, где необходимы устройства, обеспечивающие линейное перемещение— это и искусственные мышцы для задач медицины, и мягкая робототехника, и различные тяговые устройства в технике, — отметил старший научный сотрудник лаборатории управляемых бионических систем Тарек Дайюб.[1]

На 3D-принтере начали печатать человеческие мышцы

25 августа 2023 года американские исследователи из Института биомедицинских инноваций Терасаки в Лос-Анджелесе сообщили о разработке новой технологии формирования человеческих мышц методом 3D-печати. Предложенный подход, как ожидается, поможет в лечении пациентов с повреждениями скелетных мышц в результате травм, заболеваний или хирургических вмешательств.

Биологический процесс развития мышц — сложный механизм: клетки-предшественники, называемые миобластами, сливаются вместе, образуя структуры трубчатой формы, которые в конечном итоге превращаются в зрелые мышечные волокна. Для эффективного сокращения и функционирования мышц необходимы точное выравнивание и ориентация клеток. Новая технология американских ученых предусматривает использование специальных биочернил для 3D-печати, стимулирующих развитие мышечной ткани.

Американские исследователи сообщили о разработке новой технологии формирования человеческих мышц методом 3D-печати

В состав чернил включены микрочастицы, содержащие инсулиноподобный фактор роста-1 (IGF-1). Показано, что доставка IGF-1 улучшает образование зрелой скелетной мышечной ткани из клеток-предшественников и облегчает их структурное выравнивание. Это повышает эффективность регенеративного процесса.

Биочернила состоят из биосовместимого гидрогеля на основе желатина (GeIMA), клеток миобластов и упомянутых микрочастиц одинакового размера с IGF-1. Фактор роста постепенно высвобождается по мере разложения частиц, благодаря чему обеспечивается продолжительное и равномерное воздействие. Через неделю после того, как мышечные конструкции были созданы с помощью новых биочернил, исследователи наблюдали улучшенное выравнивание и слияние миобластов. А через десять дней после биопринтинга конструкции мышечной ткани начали спонтанно сокращаться. В целом, продолжительное высвобождение IGF-1 способствует созреванию и выравниванию мышечных клеток, что является решающим фактором в восстановлении и регенерации мышечной ткани.^[2]

В России научились создавать безопасные и экологичные «искусственные мышцы»

Специалисты Сеченовского университета выяснили, как создавать безопасные и экологичные «искусственные мышцы». Об этом в пресс-службе вуза рассказали 18 августа 2023 года.

По словам исследователей, материалы для «искусственных мышц», используемых в бионических протезах, можно производить из возобновляемого сырья, используя безопасные для человека и природы растворители и катализаторы. Ученые решили выяснить, можно ли создавать для биомедицинских целей эластомеры, более безопасные для человека и природы. Для этого они проанализировали более 200 вышедших в последние годы статей, посвященных синтезу эластомеров.

В Сеченовском университете научились создавать безопасные и экологичные «искусственные мышцы»

Эластомеры, производимые традиционными методами, хорошо изучены и их свойства известны. Мы хотели понять, есть ли способы создавать более экологичные эластомеры и могут ли они по свойствам конкурировать с традиционными, — пояснила старший научный сотрудник Лаборатории управляемых бионических систем Сеченовского Университета Ольга Филиппова.

Как оказалось, производство эластомеров действительно может быть экологичным — для их создания можно использовать растительные масла, жирные кислоты, крахмал, сахара. По принципам «зеленой химии» можно синтезировать полиуретаны, силиконовые, акриловые и некоторые другие эластомеры.

Есть несколько критериев для получения экологичных эластомеров. Во-первых, это уход от нефтепродуктов и использование биоресурсов, возобновляемого сырья, например, получение материалов из биомассы. Во-вторых — отказ от любых опасных компонентов, включая растворители и катализаторы. В-третьих, важно снижать энергозатраты на производство. И, в-четвертых, конечный продукт должен быть безопасен для человека и для окружающей среды, — рассказала Филиппова.[3]

Разработаны искусственные мышцы для человека

11 июля 2023 года британские исследователи из Лондонского университета королевы Марии сообщили о разработке искусственной мышцы нового типа, которая обладает изменяемой твердостью, а также способна определять приложенную силу и деформацию. Технология дает возможность имитировать работу человеческих мышц.

Кетао Чжан (Ketao Zhang), один из авторов проекта, говорит, что появление роботов со способностями к самоощущению — это ключевой шаг к настоящему бионическому будущему. Мягкая робототехника имеет огромный потенциал в области медицины. Гибкая и податливая природа этих роботизированных компонентов означает, что они хорошо подходят для взаимодействия с живыми тканями — без нанесения повреждений.

Британские исследователи сообщили о разработке искусственной мышцы нового типа

Созданная мышца состоит из углеродных нанотрубок с силиконовым покрытием, которые образуют катод. Этот компонент также выполняет функции чувствительной части, позволяя регистрировать силу. Анод изготавливается из сетки из мягкого металла, а исполнительный слой находится между катодом и анодом. После отверждения жидких материалов формируется полностью самочувствительная искусственная мышца переменной жесткости. Отмечается, что весь процесс изготовления прост и надежен.

Искусственная мышца демонстрирует гибкость и растяжимость, аналогичные естественным структурам. Исследователи говорят, что эти особенности делают разработку идеальной для интеграции в сложные мягкие роботизированные системы. Кроме того, новинка способна адаптироваться к различным геометрическим формам. Благодаря возможности выдерживать растяжение более чем на 200% по длине решение демонстрирует очень высокую долговечность. Мышца способна изменять свою жесткость более чем в 30 раз при подаче различного напряжения. Такое управление дает значительное преимущество в скорости отклика по сравнению с другими типами искусственных мышц.^[4]

Примечания