Umíte si představit, že s lehkostí ptačího letu dokážete vzít do rukou svůj automobil a vzduchem ho jako pírko přemístit o pěkný kus dále? O nadlidskou sílu, stokrát větší než zatím máte, by se zasloužily umělé svaly. To už není vize z pohádek, ale skutečnost, kterou dokazují vědci.

Průkopníky se stali badatelé z Texaské univerzity v USA. Experti se domnívají, že tento objev by se mohl v budoucnu využívat zvláště při výrobě dokonalých protetických končetin. Umělé svaly by ovšem mohly dodávat potřebnou nadlidskou sílu hasičům, vojákům či astronautům.

Vzorem má být příroda

Bohužel, ani jeden z obou nově vyvíjených typů svalů zatím nepřipomíná běžné, přírodní svaly. Tvoří je směsice drátů, nosníků a skleněných lahví.

John Madden, profesor elektroniky na University of British Columbia v kanadském Vancouveru, však upozorňuje, že nové umělé svaly přesto v mnoha směrech přírodu napodobují: „Sval zpracovává kyslík a palivo, které může být dopravováno prostřednictvím oběhového systému.

Sval sám podporuje chemickou reakci, která vede k mechanické činnosti. Elektrochemické obvody mohou fungovat jako nervy a řídit pohon; jistá energie se ukládá místně přímo ve svalu a jako u přírodního svalu se také materiály stahují dálkově.“.

V současnosti je nejdůležitější vytvořit oběhový systém podobný tomu u lidí, který by nahradil dráty v umělých svalech.

Dál se hledá vhodný materiál

Umělým svalům – třeba rovněž pro lidské protézy či pro roboty – se v poslední době stále více věnují vědečtí technici, biologové a lékaři také v dalších zemích. Jedním z klíčových problémů je vývoj nejoptimálnějšího materiálu.

Zatím posledním hitem se staly elektroaktivní polymery (electroactive polymer – EAP), které vynalezli vědci z North Carolina State University v Severní Karolíně v USA. Tushar K. Ghos, Ravi Shankar  a Richard J. Spontak o svém objevu říkají:

„Náš materiál je dielektrický polymer, jeden z tipů (typů?) EAP. Jde o originální směs polymeru, který sám sebe organizuje na molekulární úrovni, tzv. bloxoplymer, a oligomeru.“ Jako oligomer se označuje látka vzniklá spojením nevelkého počtu molekul monomeru, tedy výchozí látky používané k výrobě makromolekulárních látek (polymerů).

Směsice se velice osvědčuje

Předpokladem vytvoření makromolekuly je, že výchozí monomer (nízkomolekulární látka) obsahuje reaktivní skupiny a má schopnost vytvořit se sousedními skupinami alespoň dvě

chemické vazby. Makromolekulární látka může vzniknout jak z jednoho druhu monomeru, tak i z více druhů – mluvíme pak o kopolymerech.

Hlavní výhodou takového »koktejlu«, který připravili uvedení výzkumníci ze Severní Karolíny, je nízká cena, lehkost a vysoká odolnost materiálu.

Je robot kulturista?

Touto problematikou se zabývají i tuzemští odborníci z Vysoké školy báňské – Technické univerzity v Ostravě. Jak se 21. STOLETÍ dozvědělo od zdejšího experta, ing. Ladislava Kárníka, hlavně u dvounohých kráčejících robotů se využívají pneumatické přetlakové umělé svaly pro pohon dolních a horních končetin i pro pohyb trupu a hlavy.

Takoví roboti mají velký počet stupňů volnosti. Zdroj tlakového vzduchu najdeme v jejich trupu. U čtyřnohých, šestinohých a osminohých robotů se pro pohyb každé nohy používají dva nebo čtyři umělé svaly.

Pro jeden stupeň volnosti lze použít také pouze jeden sval společně s válcovou pružinou, které působí proti kontrakci (zkrácení) svalu. Sval při aktivaci přetlačuje pružinu, a vyvozuje tak rotační pohyb potřebný pro zvedání nohy.

Umělý sval, či jiný pohon?

Nový trend v technice pohonů představují umělé svaly založené na kombinaci pružného poddajného materiálu s pneumatickými a elektronickými prvky. Svou funkcí se podobá svalu lidskému. Osvědčuje se tam, kde nelze použít běžný pohon, např. pro jeho rozměry, hmotnost, malou tvarovou přizpůsobitelnost apod.

Nejvíce mobilních robotů dnes využívá pneumatický přetlakový sval. Rozšířeným typem umělých svalů je sval z materiálu SMA (Shape Memory Alloys, materiál s tvarovou pamětí). Někteří pohybliví roboti využívají již pouze umělé svaly, jiní je kombinují s běžnými pohony.

Více stupňů volnosti

Pneumatický či jiný umělý sval se dá přizpůsobit tvaru rámu robota, takže jich lze použít více než klasických pohonů. Celý systém má také potom více stupňů volnosti. Tlak vzduchu v umělém svalu lze plynule regulovat, čímž se snadno mění síla, jakou má vyvinout.

Roboty využívající k pohonu umělé svaly lze použít i pro práci ve výbušném prostředí.

Jsou lehcí (díky malé hmotnosti svalu) a dokážou se čile pohybovat po měkkém terénu. Lze je tedy doporučit i jako roboty s plazivým pohybem, či dokonce plavající roboty. Nabízejí se rovněž manipulační nástavby servisních robotů, miniaturní verze pro speciální úlohy či obslužná zařízení ve zdravotnictví (díky malé hlučnosti).

Nehodí se však při požadavku na velký zdvih, kdy je nutné použít dlouhé umělé svaly. Jistou nevýhodou je, že mobilní roboti s pneumatickými umělými svaly si s sebou většinou musejí nést zdroj tlakového vzduchu.

Za vším hledej nanotechnologie

Svaly robotům mohou dodat také uhlíkové nanotrubice – titěrné trubičky, jejichž příčný průřez má rozměry několika nanometrů (miliontin milimetru). Jejich délka však dosahuje až několika milimetrů.

„Pokud je nanotrubice vyrobená z uhlíku elektricky nabita, její délka se prodlužuje,“ tak zněly hypotézy. Tento teoreticky předpokládaný jev potvrdily nedávné experimenty vědců z Německa, Austrálie, USA a Itálie.

Kroucení ve slané lázni

Pro názornost jev předvedli pomocí zařízení, které je jakýmsi modelem »umělého svalu«. Základem se stala fólie vyrobená ze spleti uhlíkových nanotrubic, která připomíná uvařené špagety. Fólie byla přilepena z obou stran na oboustrannou lepicí pásku.

Ta pak byla vložena do slané lázně, ke které bylo připojeno proměnlivé elektrické napětí v rozsahu od plus 1 do minus 1 voltu.

Nanotrubice na obou stranách ploché fólie se nabíjely různým nábojem a v důsledku toho se jejich délka různě prodlužovala, což se projevilo kroucením pásku.

Podobně by skutečně mohl fungovat umělý sval v robotice, schopný vyvinout napětí větší, než je tomu u přirozených svalů. Navíc by reagoval rychleji, než to dokážou umělé svaly vyrobené z jiných materiálů, např. ze zmiňovaných polymerů.

Vědce čeká dlouhá cesta

Odborníci nezakrývají, že k prvním prototypům umělých svalů z uhlíkových nanotrubic vede ještě dlouhá cesta plná hledání, ba i omylů. Vědci chtějí zkoumat také obrácený jev, kdy při mechanickém namáhání uhlíkových nanotrubic se vytváří elektrické napětí.

To by se totiž mohlo v budoucnosti stát základem pro generátory elektrického proudu poháněné například.

mořskými vlnami.

Pásy dlouhých trubiček

Odborníci na nové materiály z Texaské univerzity v americkém Dallasu nedávno vyvinuli techniku, pomocí které ze spletených uhlíkových nanotrubiček vytvořili dlouhé pásy. Hovoří o nich jako o aerogelu, protože mezi nanotrubičkami je velké množství vzduchu, a každý centimetr krychlový tak váží pouze 1,5 miligramu. Jediný gram tohoto nového materiálu by pokryl plochu 30 metrů čtverečních.

Metr dlouhý pás aerogelu vytvořený z uhlíkových nanotrubiček při zavedení elektřiny téměř ztrojnásobí svou šířku, mohl by se tedy rovněž stát základem pro nové robotické svaly. Pokud plány amerických výzkumníků vyjdou, budou mít příští generace robotů lehoučké svaly pevnější než ocel.

Vzniknou svaly z rostlin?

Při svém objevitelském poslání jiní vědci vyvíjejí umělé svaly z polysacharidů rostlinného původu. Vlákna, která by se smršťovala a natahovala, by měla rozmanité použití – od elektroniky (například senzory) přes robotiku až po náhrady lidských končetin.

Svalové buňky by bylo třeba možno nanést v podobě tenkého filmu na polymerní vrstvu, čímž vzniknou útvary, které kromě medicínského využití mohou fungovat i jako zajímavé mechanické strojky.

Tým, který na univerzitě v Harvardu v USA vedl Adam Feinberg, použil jako nosnou vrstvu pro svalové buňky polydimethylsiloxan (C2H6OSi). Jednotlivé buňky se spontánně uspořádávaly do struktur připomínajících svalová vlákna živých organismů, které přitom navíc vykazovaly i řadu funkcí živých svalů.

Pohyby lze řídit

Pokud vědci umělá vlákna dráždili elektrickými impulzy, různě se svinovala a ohýbaly. Pohyby lze navíc poměrně snadno řídit. Jednak způsobem stimulace, ale třeba i geometrickým tvarem, který je svalovým buňkám v původním polymeru vyhrazen.

Pohyb struktur o velikosti až v centimetrech je přitom koordinován, podobně jako je tomu například při tepu srdce.

Umělé svaly mají velkou budoucnost

Jiným z možných způsobů uplatnění jsou tzv. chytré povrchy – plochy, které umějí měnit tvar podle nejrůznějších potřeb. Konstruktéři umělým svalům předpovídají velkou budoucnost v řadě aplikací, protože na rozdíl od klasických motorů nemají žádné rotující části ani ložiska, a proto vykazují nejen delší životnost, ale i vyšší efektivnost.

John Madden z univerzity ve Vancouveru shrnuje cíl úsilí svých kolegů z celého světa: „Hlavní náplní naší práce je podívat se na různé materiály a zjistit, jak bychom je mohli přimět k pohybu.“

Už nebudou na baterky!

*Pohon dosavadních typů umělých svalů, které měly dost omezenou výkonnost sílu, většinou zajišťovaly baterie. S tím souvisely i různé problémy včetně ubývající kapacity.

*Nové druhy svalů, na kterých pracují výzkumníci z USA společně s jihokorejskými experty, naproti tomu využívají k pohonu kyslík a chemickou energii vodíku a lihu.

*Sval přeměňuje chemickou energii v teplo, které způsobuje, že se slitina s tvarovou pamětí (SMA – Shape Memory Alloy) začne stahovat. Snížením teploty se materiál vrátí do původní polohy, a sval se tak uvolní.

*Laboratorní testy opakovaně ukázaly, že tyto svaly dokážou uzvednout stokrát větší hmotnost než svaly v našem těle.