Учёные создали управляемые светом наномускулы, способные поднять массу в 1000 раз больше собственной

Учёные из Университета Колорадо в Боулдере сделали шаг к созданию искусственной мускулатуры и приводов, управляемых светом. Они создали наноматериал, в котором свет преобразуется в механическую работу без промежуточных действий. Опытный образец такой «мускулатуры» поднимал груз в 1000 раз большей массы, чем весил сам. В перспективе такие управляемые светом мускулы могут стать основой роботов и беспилотников с беспроводным питанием.

Новый материал создан на базе крошечных органических кристаллов, преобразующих свет в значительные механические усилия, достаточные для поднятия массы в 1000 раз больше собственной. Такой материал кроме совершения непосредственных физических действий может стать источником энергии для дистанционно управляемых систем — роботов или транспортных средств.

В основе всех подобных фотохимических материалов лежат химические и физические преобразования на молекулярном уровне. В целом они представляют интерес по простой причине — они управляются освещением, что сильно упрощает разработку ответственных узлов в робототехнике. Но при этом инженеры и учёные должны найти способ трансформировать молекулярные преобразования в ощутимую механическую работу, а это задачка не из лёгких.

Значительной трудностью на пути к масштабной работе «наномускул» оставалась высокая вероятность растрескивания кристаллических структур. Чтобы предотвратить такую порчу материала, учёные поместили фотохимические нанокристаллы на основе диарилэтена в пористый полимерный материал полиэтилентерефталат. Поры микронного размера ограничивали рост кристаллов и не давали им растрескаться, действуя как фиксирующая оболочка.

Эксперименты с полученным образцом показали его высокие прочностные характеристики. Материал не трескался при изгибах на 180 °. Чередование освещения ультрафиолетовым и обычным светом заставляло материал сгибаться и разгибаться. При собственном весе массива в 0,02 г он с лёгкостью поднимал нейлоновый шарик массой 20 г. Чтобы такой мускул поднял руку робота, ему достаточно попасть под луч света.

Прежде чем такие роботы выйдут в мир предстоит проделать много научной работы. Новый материал не может похвастаться эффективностью и универсальностью. КПД его работы очень мал, а физические движения ограничены командами «согнуть» и «разогнуть».

«Нам ещё предстоит пройти долгий путь, особенно в плане эффективности, прежде чем эти материалы смогут составить реальную конкуренцию существующим приводам, — сказал ведущий автор работы, опубликованной в Nature Materials. — Но данное исследование является важным шагом в правильном направлении и даёт нам представление о том, как мы сможем достичь этого в ближайшие годы».