«Искусственные мышцы» на основе гидрогеля, активируемые переменным током, разработали специалисты лаборатории управляемых бионических систем Сеченовского Университета Минздрава России. Легкие и бесшумные устройства с хорошими механическими свойствами и способные выдерживать большие нагрузки. Они будут полезны не только в медицинской области для создания бионических протезов и реабилитационных устройств, но и для задач мягкой робототехники и аэрокосмической промышленности. Работа велась в рамках программы стратегического и академического лидерства «Приоритет 2030».

Полимерные гидрогели способны поглощать и удерживать в себе влагу благодаря особой структуре, напоминающей сетку. 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. Однако такие устройства имеют низкую скорость активации (срабатывания), а также очень чувствительны к величине напряжения тока и при превышении электрического напряжения могут легко выйти из строя.

Ученые из лаборатории управляемых бионических систем Сеченовского Университета разработали актуаторы на основе гидрогеля 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 контролировать изменение формы, ученые использовали эластичный материал и два типа внешних армирующих сеток со специальной геометрией плетения.

«Гидрогели состоят из полимера поливинилового спирта и воды. Когда мы воздействуем на гидрогель переменным током, ионы воды начинают локально вибрировать, что приводит к нагреванию всего гидрогеля. В результате нагревания в определенном диапазоне температур вода резко переходит в газообразное состояние и выделяется из гидрогеля. Когда воздействие тока прекращается, вода быстро абсорбируется обратно. Гидрогель покрыт эластичной герметичной оболочкой, которая в процессе расширяется, подобно надуваемому воздушному шарику. Чтобы расширение происходило линейно, мы использовали два типа внешних армирующих сеток – плетеную и в виде спирали», — пояснил старший научный сотрудник лаборатории управляемых бионических систем Тарек Дайюб.

Чтобы достичь необходимого эффекта требуется всего 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%.

«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 Тарек Дайюб.

В ближайшей перспективе ученые займутся поиском способов снизить электрическое напряжение, необходимое для активации актуаторов — сейчас актуаторы способны работать в диапазоне электрического напряжения 50–200 В и частоты тока 50–500 Гц. Исследователям предстоит выяснить, как сделать использование новых актуаторов более безопасным, сохранив при этом функциональность.