Naśladowanie ludzkiego ciała, a zwłaszcza mięśni, od dawna stanowi ogromne wyzwanie dla inżynierów i naukowców. Tworzenie sztucznych odpowiedników, które dorównałyby sprawności naturalnych tkanek, często wydawało się odległym marzeniem. Okazuje się jednak, że najnowsze badania w dziedzinie włóknistych mięśni sztucznych mogą przybliżyć nas do realizacji tego celu, a nawet sprawić, że go przekroczymy. Co dokładnie udało się tym razem osiągnąć specjalistom?
Włoskie badania opublikowane pod koniec 2025 roku pokazują, że niektóre syntetyczne mięśnie generują siłę stukrotnie większą od biologicznych odpowiedników, podczas gdy inne osiągają niewyobrażalne prędkości obrotowe. Na tym etapie nie jest to czcze gadanie, a już twarde dane z laboratoriów, które mogą przełożyć się na realne zastosowania w protezach, robotyce czy medycynie.
Jak działają sztuczne mięśnie włókniste? Inspiracja płynie z natury
Sztuczne mięśnie włókniste to zaawansowane materiały, które pod względem struktury i funkcji przypominają naturalne tkanki mięśniowe. Ich kluczowe atuty to elastyczność, zdolność adaptacji oraz możliwość generowania różnorodnych, złożonych ruchów. W przeciwieństwie do tradycyjnych siłowników mechanicznych reagują one na bodźce zewnętrzne w sposób podobny do żywych organizmów. Aktywacja tych materiałów następuje dzięki zmianom wewnętrznych właściwości włókien pod wpływem rozmaitych czynników, takich jak światło, prąd elektryczny, ciepło, substancje chemiczne czy nawet kontakt z rozpuszczalnikami.
Zainspirowana naturalnymi mechanizmami i strukturami biologicznymi, aktywacja włóknistych mięśni sztucznych jest przede wszystkim sterowana zmianami wewnętrznej reakcji włókien na zewnętrzne bodźce, podobnie jak małoskalowe miofibryle generują podstawę aktywacji dla powiększonych, dużych skoków aktywacji. – tłumaczą naukowcy.
Mechanizmy te obejmują reorientację molekularną, ekspansję objętościową oraz zmiany odstępów między włóknami. Dzięki swojej hierarchicznej budowie pojedyncze włókna mogą ze sobą współpracować, tworząc złożone ruchy przypominające te wykonywane przez naturalne mięśnie. Takie podejście umożliwia konstruowanie systemów o wielu stopniach swobody, a na dodatek zdolnych do podejmowania precyzyjnych i skomplikowanych zadań.
Metody aktywacji włóknistych mięśni. Cztery drogi do imponujących parametrów
Badacze wyróżniają cztery główne sposoby aktywacji tych materiałów, z których każda prowadzi do rekordowych rezultatów. Pierwsza z nich, aktywacja skrętna, polega na obrocie włókna wokół własnej osi. Największe skoki skrętne obserwuje się w mięśniach napędzanych parą, reagujących na wilgoć lub etanol. Jeśli chodzi o prędkość, rekord biją kompozyty CNT/polimer aktywowane ciepłem, osiągające 11500 obrotów na minutę, oraz włókna ze stopu nikiel-tytan aktywowane elektrotermicznie, które dochodzą do 10500 obrotów na minutę.
Czytaj też: Te okna prawie nie tracą ciepła. MOCHI wywróci rynek termomodernizacji do góry nogami
Aktywacja rozciągająca dotyczy liniowego wydłużania lub kurczenia się włókna. Tutaj wyniki są jeszcze bardziej spektakularne, bo mięśnie oparte na spiralnie skręconej przędzy osiągnęły 8600% odkształcenia rozciągającego. Oznacza to, że materiał może wydłużyć się ponad 86 razy w stosunku do swojej pierwotnej długości, co otwiera możliwości niedostępne dla tradycyjnych rozwiązań. Aktywacja zginająca umożliwia z kolei precyzyjne ruchy przypominające zginanie palców czy łokci. Ta metoda znajduje szczególne zastosowanie w robotyce miękkiej, gdzie wymagane są delikatne i kontrolowane ruchy.
Aktywacja izometryczna, czyli generowanie siły bez zmiany długości, przynosi najbardziej imponujące rezultaty w porównaniu z mięśniami biologicznymi. Elektrochemiczna aktywacja włókna inspirowanego małżami wykazała maksymalne naprężenie skurczu na poziomie 17,7 megapaskali. Jeszcze lepsze wyniki osiągnął sztuczny mięsień na bazie nylonu, bo rzędu 28,4 megapaskala, co stanowi ponad stukrotnie większą wartość niż około 0,35 megapaskala charakterystyczne dla mięśni szkieletowych ssaków.
Zastosowania sztucznych mięśni. Od medycyny po inteligentne tekstylia
Potencjalne zastosowania włóknistych mięśni sztucznych są niezwykle szerokie. W medycynie mogłyby one zrewolucjonizować leczenie ran poprzez urządzenia automatycznie je zamykające lub bandaże hemostatyczne reagujące na krwawienie. Kombinezony rehabilitacyjne wyposażone w takie mięśnie mogłyby wspomagać pacjentów w odzyskiwaniu sprawności, a narzędzia mikrochirurgiczne zyskałyby niespotykaną precyzję. Z kolei w robotyce miękkiej te materiały otwierają nowe możliwości konstrukcji urządzeń zdolnych do lokomocji czy pływania w sposób przypominający naturalne organizmy. Roboty wyposażone w takie mięśnie mogłyby poruszać się sprawniej w trudnym terenie, a ich ruchy byłyby bardziej naturalne i energooszczędne.
Czytaj też: Rzymski beton stoi 2000 lat, a nasz się kruszy po dekadach. Naukowcy z MIT odkryli sekret starożytnych budowniczych
Inteligentne tekstylia to kolejny obiecujący kierunek. Ubrania mogłyby automatycznie dostosowywać się do zmian temperatury otoczenia, zwiększając lub zmniejszając izolację termiczną. Sportowcy mogliby nosić stroje wspierające określone grupy mięśni, a osoby starsze odzież ułatwiającą codzienne czynności.
Wyzwania dla sztucznych mięśni. Droga do masowej produkcji jest daleka
Mimo obiecujących parametrów włókniste mięśnie sztuczne wciąż napotykają poważne bariery. Ich produkcja jest skomplikowana i kosztowna, co ogranicza dostępność. Trwałość długoterminowa pozostaje nieznana i w efekcie nie wiadomo, jak materiały zachowają się po tysiącach cykli pracy w różnych warunkach. Kolejnym wyzwaniem jest integracja z innymi systemami, takimi jak czujniki, sterowanie i źródła zasilania. Dlatego też obecne badania koncentrują się na tworzeniu zintegrowanych rozwiązań łączących te funkcje w jednym. Naukowcy pracują również nad skalowalną i zrównoważoną produkcją. Wykorzystanie naturalnych materiałów, takich jak bawełna czy włókna lotosu, mogłoby obniżyć koszty i wpływ na środowisko.
Czytaj też: Odkrycia dekady? Badał tajemnice Księżyca i Marsa, a teraz NASA skierowała go ku Ziemi
Tradycyjnie jednak droga od laboratoryjnych prototypów do powszechnego zastosowania jest daleka, ale potencjał tej technologii wydaje się na tyle znaczący, że prace nad nią z pewnością będą kontynuowane. Jeśli uda się przezwyciężyć obecne ograniczenia, to włókniste mięśnie sztuczne mogą faktycznie zrewolucjonizować wiele dziedzin – od zaawansowanej medycyny po codzienne przedmioty użytkowe. Nie należy jednak spodziewać się przełomu z dnia na dzień. To raczej perspektywa kolejnych lat badań i szeregu stopniowych ulepszeń.