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

Новый композитный материал, созданный на базе органических кристаллов и полимерной матрицы, продемонстрировал способность поднимать грузы, в тысячу раз превышающие его собственную массу, под воздействием света. Это открытие, опубликованное в престижном научном журнале, приближает эру роботов с беспроводным питанием и «искусственными мышцами», которые могут приводиться в движение простым лучом ультрафиолета.

Фотохимические кристаллы против законов физики

В основе разработки лежит эффект обратимого изменения формы молекул диарилэтена под действием света. Однако главной инженерной проблемой, десятилетиями тормозившей прогресс в этой области, была хрупкость таких кристаллов. При попытке совершить механическую работу они просто растрескивались. Исследователи решили эту задачу, поместив нанокристаллы в пористую структуру полиэтилентерефталата — прочного и гибкого полимера. Микроскопические поры выступили в роли фиксирующей оболочки, не давая кристаллу разрушиться при деформации.

Эксперимент с шариком для настольного тенниса

Экспериментальный образец, весящий всего 0,02 миллиграмма, без труда поднял нейлоновый шарик массой 20 граммов. Для наглядности: это сопоставимо с тем, как если бы человек весом 70 кг поднял одной рукой семитонный грузовик. Чередование ультрафиолетового и видимого света заставляло композитную ленту ритмично сгибаться и разгибаться, имитируя работу бицепса. Важно, что материал выдерживал изгиб на 180 градусов без потери структуры.

Свет как универсальный источник энергии

Беспроводное управление механизмами — давняя мечта робототехников. В отличие от электромоторов, требующих проводов, аккумуляторов и сложных контроллеров, фотохимические приводы могут получать энергию напрямую от источника света. Это открывает перспективы для создания микророботов-опылителей, дронов для мониторинга труднодоступных зон или мягких манипуляторов для хирургии, где каждый лишний грамм и миллиметр имеют значение.

Пока разработка находится на ранней стадии. Коэффициент полезного действия нового материала остается низким, а доступные движения ограничены двумя командами: «согнуться» и «разогнуться». Как отмечает ведущий автор исследования, «нам ещё предстоит пройти долгий путь, особенно в плане эффективности, прежде чем эти материалы смогут составить реальную конкуренцию существующим приводам. Но данное исследование является важным шагом в правильном направлении».

Попытки создать «искусственные мышцы» на основе полимеров или гидрогелей предпринимаются уже не первое десятилетие. Однако большинство из них требовали либо подачи электрического тока, либо изменения температуры или pH среды. Световое управление считается наиболее «чистым» и быстрым способом передачи энергии на расстояние. Главным прорывом здесь стало именно решение проблемы хрупкости кристаллов за счет композитной структуры. Теперь перед учеными стоит задача масштабирования технологии и повышения КПД фотохимического преобразования. Если они смогут заставить такой материал не просто сгибаться, а вращать вал или сжиматься с усилием, сравнимым с мускулом человека, мы станем свидетелями революции в микроэлектронике и робототехнике.