В продуктовом отделе бакалейного магазина огурец – это обычное явление. Но в питомнике хозяйственного магазина, говорит Шазед Азиз, огурец – это чудо.
Пару лет назад Азиз прогуливался по австралийской сети хозяйственных магазинов, выискивая конкретное огуречное растение. За день до этого он обратил внимание на его необычные усики – тонкие стебли, отходящие от растения в виде витков разного размера, с помощью которых огуречные листья тянутся к поверхности и поднимаются вверх, чтобы получить больше солнечного света. Во время первого похода в магазин эти спиралевидные завитки были длинными и распущенными. "Когда я вернулся в магазин на следующий день, они были сжаты в клубок", говорит Азиз, доктор наук в области материаловедения из Университета Квинсленда.
Он отыскал сотрудника магазина и поинтересовался, почему растение так сильно и быстро изменилось. Может быть, оно засохло, заболело или погибло? Нет. Растение просто среагировало на изменение влажности и жару, подобно тому, как подсолнух поворачивается вслед за солнцем – это явление называется тропизмом.
Будучи инженером, Азиз загорелся идеей создания экологически чувствительного природного материала. Он получил докторскую степень, занимаясь исследованием искусственных мышц – нового типа приводов (или актуаторов), представляющих собой компоненты устройств, которые, подобно нашим мышцам, преобразуют импульсы в движения и могут использоваться для создания одежды с электроприводом, универсальных протезов и средств передвижения, приводимых в действие электричеством, водой или сжатым воздухом.
Хотя такие устройства часто изготавливаются из искусственных проводящих полимеров или сплавов с эффектом запоминания формы, которые переходят из одной формы в другую, исследователи, изучающие эти концепции, черпают вдохновение в природе: гибкие щупальца осьминогов, мощные хоботы слонов и быстрые колибри. Изменяющий свое положение огурец в магазине натолкнул Азиза на идею: возможно ли скопировать не только спиралевидную форму растения, но и его автономное поведение?
Прихватив с собой растение, Азиз поехал домой и стал думать, как представить проект своему наставнику. Затем он погрузился в научные статьи, чтобы изучить строение усиков огурца, пытаясь понять, как они сжимаются, разжимаются и карабкаются вверх вопреки силе тяжести. Он обнаружил, что нити микроскопических целлюлозных волокон, называемых микрофибриллами, скручиваются внутри растительных клеток, которые, в свою очередь, скручиваются внутри пучков клеток, которые сами скручиваются в спирали усиков.
Он решил сымитировать эту микроскопическую структуру с помощью привода, состоящего из нескольких слоев витков, чтобы воспроизвести движения, похожие на движения растений. Он знал, с какого материала начать – с пряжи. Пряжа сама по себе представляет туго скрученные пучки волокон. Скручивание волокон, как и в случае с растениями, происходит на молекулярном уровне, а поскольку пряжа мягкая, ее легко намотать в большем количестве.
Через полгода у Азиза был готов прототип – смотанная хлопковая пряжа, пропитанная специальными полимерами, которые поглощают и удерживают воду, так называемыми гидрогелями. Его команда, опубликовавшая статью в журнале Advanced Materials в мае, описала имитацию расширения и сжатия витков до микроскопического уровня, продемонстрировав, что пружина из пряжи автоматически сжимается при намокании или охлаждении и обладает достаточной силой, чтобы самостоятельно перемещать небольшие объекты.
"Похоже, что она действительно хорошо имитирует поведение растений", говорит Хайди Фейгенбаум, инженер-механик из Университета Северной Аризоны, которая участвовала в других проектах, в которых скрученная леска или полые полимеры расширялись и сжимались, как мышцы. Она считает, что приводы из пряжи – это находка для данной области благодаря их высокой гибкости и прочности.
Эксперимент с огурцом – это первая демонстрация применения растительного тропизма при создании актуаторов, и он является частью движения к "мягкой" робототехнике, которая предполагает использование приводов из гибких материалов, таких как ткань, бумага, волокна и полимеры, способных обеспечить разнообразные движений. Благодаря мягкости роботы с такими приводами могут использоваться в условиях, когда необходима гибкость и малозаметность конструкции, например, при проведении хирургических операций. Кроме того, автономный мягкий робот может работать в местах, где нет электричества и людей.
"В нашей работе успех заключается в том, чтобы доказать, что искусственные материалы могут вести себя так же, как естественные существа, в данном случае растения", рассказывает Азиз. "Таким образом, мы наделили искусственные материалы естественным интеллектом".
Разумеется, пряжа не может двигаться сама по себе. Ее необходимо вымочить в дополнительном растворе, который сделает ее способной реагировать.
Азиз пропустил свои мотки пряжи через три различных раствора. Один из них, альгинатный гидрогель, позволит устройству поглощать воду. Другой, гидрогель из полиуретана, сделает ее менее хрупкой. Последний слой позволит обеспечить теплочувствительное покрытие. После этого он намотал нить пряжи на металлический стержень, чтобы она стала похожа на огуречные усики. Конечный продукт выглядит как длинная фиолетовая пружина.
Его команда проверила способности "мышц" из пряжи, проделав ряд экспериментов. Сначала они прикрепили скрепку к нижнему концу пружины. Затем на пружину брызнули несколько струй воды. Гидрогель набух, впитав воду. Пружина сократилась, уменьшилась в размерах и потянула скрепку вверх.
Но почему разбухание гидрогеля заставило пружину сжиматься, а не расширяться? Все дело в спиральной микроструктуре: разбухший водород подтолкнул спираль к радиальному расширению до более широких витков, и "мышцы" нити сократились в продольном направлении, чтобы компенсировать это.
Затем исследователи направили на нить нагретый воздух. Это произвело обратный эффект: спираль "расслабилась" и опустила скрепку. Это объясняется тем, что горячий воздух способствует высвобождению молекул воды из гидрогеля, позволяя мышце расшириться. Холодный воздух позволит этим молекулам абсорбироваться повторно, что приведет к сокращению мышцы.
Далее они задались вопросом: а сможет ли эта штука закрыть окно? Конечно, нить слишком хрупка, чтобы сдвинуть с места настоящее стеклянное окно, независимо от того, сколько витков в нее вплетено. Поэтому команда Азиза изготовила пластиковый макет окна размером с ладонь. У этого окна было два стекла, которые могли закрываться как ставни. Они закрепили маленькую фиолетовую мышцу на обоих стеклах. Под струей воды она сокращалась, заставляя ставни закрываться.
По мнению Азиза, прелесть такой микроструктуры в том, что подобная перемена формы обратима. Другие искусственные мышцы, например материалы с памятью формы, часто деформируются бесповоротно, что ограничивает возможность их повторного использования. Но в данном случае пружина может сжиматься или расслабляться неограниченное количество раз, реагируя на окружающие условия. "Когда идет дождь, она может закрыть окно", говорит он. "А когда дождь пройдет, она снова откроет окно".
Чем это может быть полезно в реальном мире? Азиз представляет себе недорогие устройства, которые могли бы собирать экологические или научные данные в отдаленных местах, в которых условия неблагоприятны или изменчивы – "в пустыне или в полярных районах, например в Антарктиде, где нет механических или электрических приборов", говорит он. Представьте себе телескоп в пустыне, который ночью переводит свой взгляд при сильном изменении температуры воздуха. Или автоматические окна в отдаленной теплице. Возможно, открытие поможет геодезическим ботам отбирать пробы в Антарктиде... или на Марсе.
Фейгенбаум говорит, что приводы, работающие без сжатого воздуха или батарей, могут быть полезны, однако для того чтобы хлопок и гидрогели впитывали воду или передавали тепло, требуется время. Пряжа может полностью изменить форму за несколько минут. "Это больше похоже на усики растений, чем на человеческие мышцы. Срабатывание происходит медленно", говорит она. Созданные ею полые мышцы из полимерных материалов реагируют на воздействие сжатого воздуха или воды за доли секунды.
Сейчас все ждут гораздо более оперативного срабатывания, чем у этих похожих на растения приводов, считает Полина Аникеева, материаловед и нейроинженер из Массачусетского технологического института, которая не принимала участия в новом исследовании. "Однако это совсем другая материальная система", отмечает она. В 2019 году команда Аникеевой создала актуаторы из биморфных полимерных волокон, которые формируют спирали под давлением и могут использоваться для создания прочных протезов конечностей. Они могут сжиматься менее чем за секунду при нагревании и поднимать вес более чем в 600 раз больше своего. В июне ее команда превратила спиралевидные мышцы в маленьких ботов, которые приводятся в движение магнитами.
Но она может представить, в каких случаях могут пригодиться мышцы на основе гидрогеля, как у Азиза. "Гидрогели действительно очень хорошо проявляют себя в контексте биомедицины", говорит Аникеева. Она задается вопросом, подойдут ли они в качестве искусственных мышц, которые можно имплантировать в настоящую человеческую ткань, чтобы помочь ее восстановить. Мышцы на основе гидрогеля могли бы повторять механику тела – особенно если бы инженеры смогли заставить приводы реагировать на биологические стимулы так, как это делают настоящие нервы и мышцы, а не просто реагировать на воду или тепло. "Гидрогели потенциально могут реагировать на различные концентрации ионов, потому что они могут их поглощать. Возможно, в будущем можно будет даже использовать проводящий гидрогель, который сможет деформироваться в ответ на слабые электрические импульсы", рассказала она.
Азиз надеется повысить нагрузку на мышцы и скорость их реагирования, и у него есть планы по созданию аналогичных моделей на основе полимеров, которые называются термопластами. Это позволит лучше контролировать температуру "срабатывания" актуаторов. Команда пока не собирается внедрять растительные приводы в роботов, но как только они это сделают, неизвестно, какие новые двери смогут распахнуть полученные результаты.
