Univerzita vo Freiburgu sa pýši vytvorením prvého materiálu, ktorý sa dokáže autonómne rytmicky pohybovať.

V minulosti sa vedci pokúšali použiť prírodné bielkoviny ako základ pre vývoj a stavbu umelých svalových systémov. Avšak donedávna sa im nedarilo vyvinúť syntetický materiál vytvorený čisto na biologickej báze, ktorý by sa samostatne pohyboval. Až Dr. Stefan Schiller and Dr. Matthias Huber z Freiburgskej Univerzity uspeli.

Umelé svaly (Artifical muscles)

Umelé svaly sú materiály alebo zariadenia, ktoré napodobňujú prirodzené svaly. Môžu meniť svoju tuhosť, zmršťovať sa, rozpínať sa, alebo sa otáčať v dôsledku vonkajšieho podnetu (napr. zmene napätia, prúdu, tlaku alebo teploty). Vďaka svojej všestrannosti a výkonu majú umelé svaly potenciál byť veľmi prevratnou technológiou. S uplatnením v priemysle, medicíne, robotike a mnohých ďalších oblastiach.

Niektoré z týchto nových technológií sú prezentované ako inteligentné materiály. Poskytujú možnosť ovládania a snímania, čo umožňuje vývoj vysoko integrovaných systémov. Spolu s pokrokom v mäkkej robotike a elektronike sa rýchlo rozvíja aj aplikácia umelých svalov v bio-inšpirovanej robotike.

Aké materiály sa používajú na výrobu umelých svalov?

Presný výber materiálov a jemné ladenie ich vlastností predstavuje základný aspekt pri realizácii nových aktívnych systémov, ako sú napríklad umelé svaly. Medzi používané materiály patria elastoméry, vodivé polyméry, iónovo vodivé polyméry a uhlíkové nanotrubičky.

Polymér je veľká molekula tvorená z reťazcov alebo kruhov spojených opakujúcich sa podjednotiek, ktoré sa nazývajú monoméry. Polyméry môžu byť prírodné alebo syntetické. Medzi prírodné polyméry (biopolyméry) patrí hodváb, guma, celulóza, vlna, keratín, kolagén, škrob alebo DNA. Syntetické polyméry sa pripravujú chemickými reakciami v laboratóriu. Príklady syntetických polymérov zahŕňajú PVC (polyvinylchlorid), polystyrén, syntetický kaučuk, silikón, polyetylén, neoprén, alebo nylon.

Polymérové umelé svaly môžeme rozdeliť do dvoch hlavných skupín. V prvej skupine je zmena rozmerov svalu spôsobené reakciou na elektrické pole. Druhá skupina umelých svalov z polymérov predstavuje triedu materiálov, v ktorých je na aktiváciu svalov potrebná prítomnosť a pohyb iónov.

Inzercia

Syntetický biologický materiál

Materiál použitý vedeckým tímom z Freiburgu je založený na elastíne, prírodnom vláknitom proteíne, ktorý sa vyskytuje aj u ľudí. Tento proteín dodáva pružnosť pokožke a cievam. Podľa vzoru elastínu výskumníci vyvinuli dva jemu podobné proteíny. Jeden reaguje na výkyvy pH a druhý na zmeny teploty. Neskôr vedci spojili tieto dva proteíny pomocou fotochemického zosieťovania a vytvorili dvojvrstvový materiál.

Samostatný pohyb materiálu

Novovytvorený dvojradový syntetický materiál získal aj ďalšie prvenstvo na poli svalového výskumu. Jeho kontrakcie možno ovládať pomocou zmien pH a teploty.

Vedcom sa podarilo vyvolať rytmické kontrakcie pomocou chemického zdroja energie ako paliva. V tomto prípade použili siričitan sodný. Zložité chemické reakcie, ktoré slúžia na poháňanie oscilačného pohybu svalového prototypu sa spustia pri teplote približne 20 stupňov Celzia. Okrem kontroly začatia a zastavenia rytmických pohybov je možné naprogramovať určité stavy, ktoré materiál môže nadobudnúť.

„V budúcnosti by sa materiál mohol ďalej vyvíjať tak, aby reagoval na iné podnety, napríklad na koncentráciu soli v prostredí, a aby spotrebúval iné zdroje energie.“ Dr. Schiller

A research team @UniFreiburg has developed the first material made of natural #Proteins that contracts autonomously 👉 https://t.co/zjzKI3DiE3 #Chemics #ArtificialMuscles #SoftRobotics

— Research in Germany – Initiative of the BMBF (@ResearchGermany) January 31, 2022

Umelé svaly a ich využitie

Vyrobené svaly môžu v budúcnosti nahradiť väčšinu elektromotorových aktuátorov. Ďalším prípadom je ich použitie v robotických ramenách.

Samozrejme, najzaujímavejšie využitie umelých svalov je v protetike. Vedci vyvíjajú umelé svalové protézy, ktoré sa rozťahujú a zmršťujú ako skutočné biologické svaly, ale fungujú lepšie. Výskum a vývoj ide neustále dopredu, a preto sa mnohé z nich možno stanú súčasťou transplantovaných orgánov. Ak sa podarí navrhnúť umelé svaly, ktoré by napodobňovali srdcové chlopne, mohli by sa používať na opravu poškodeného srdca namiesto čakania na transplantáciu vhodného orgánu.