Weird Science

Sztuczne mięśnie w naszej pracowni

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Bio­lo­gia w Szkole (3/2021):

Ilustracja

Ples M., Sztuczne mięśnie w naszej pra­cowni, Bio­lo­gia w Szkole, 3 (2021), Forum Media Pol­ska Sp. z o.o., str. 52-56

W naszych wspól­nych roz­my­śla­niach i pra­cach nie­jed­no­krot­nie już zaj­mo­wa­li­śmy się tema­tyką spo­so­bów poru­sza­nia się. Bra­li­śmy pod uwagę mecha­ni­zmy ruchu i zja­wi­ska z nim związane wśród przed­sta­wi­cieli króle­stwa roślin Planta i zwie­rząt Ani­ma­lia [1][2][3][4]. Do tej pory skła­dało się jed­nak tak, że bar­dziej szcze­góło­wej ana­li­zie pod­da­li­śmy pod­stawy ruchu roślin, jako gene­ral­nie bar­dziej obce dla nas – sami nale­żymy prze­cież do orga­ni­zmów zwie­rzęcych. Dziś jed­nak chciałbym, aby Sza­nowny Czy­tel­nik towa­rzy­szył mi w pro­stych doświad­cze­niach na temat mięśni, które sta­no­wią pod­sta­wowy „napęd” dla ciał zwie­rzęcych, zarówno jeśli cho­dzi o loko­mo­cję, jak i inne ruchy.

Mięsień muscu­lus jest narządem obda­rzo­nym zdol­no­ścią do aktyw­nego skur­czu. Sta­nowi jeden ze struk­tu­ral­nych i funk­cjo­nal­nych ele­men­tów narządu ruchu jako cało­ści. Co ważne, to wła­śnie mięśnie sta­no­wią ele­menty czynny (napędowy) dla tego narządu. Mięśnie występują u wyższych bez­kręgow­ców Inver­te­brata i u wszyst­kich kręgow­ców Ver­te­brata.

Tkanka budu­jąca oma­wiane narządy jest zbu­do­wana z sil­nie wyspe­cja­li­zo­wa­nych komórek. Mięśnie są połączone w odpo­wiedni spo­sób ze szkie­le­tem jako ele­men­tem nośnym (wew­nętrz­nym u kręgow­ców, zew­nętrz­nym np. u sta­wo­no­gów Arth­ro­poda) i zmie­nia­jąc swoje wymiary, powo­dują ruch posz­cze­gól­nych jego ele­men­tów względem sie­bie. Źródłem ener­gii dla mięśni są sub­stan­cje che­miczne, głów­nie zma­ga­zy­no­wany w nich gli­ko­gen i glu­koza dostar­czona przez układ krwio­no­śny. Ksz­tałt i budowa mięśnia ści­śle zależy od funk­cji, jaką pełni w orga­ni­zmie [5].

Cho­ciaż ist­nieje wiele metod kla­sy­fi­ka­cji mięśni, tak na pod­sta­wie ich budowy, jak i funk­cji lub ksz­tałtu, to naj­bar­dziej pod­sta­wo­wym spo­so­bem podziału wydaje się ten, w którym wyróżn­iane są trzy główne grupy:

Pod względem budowy naj­prost­szymi mięśniami w ciele czło­wieka są mięśnie gład­kie odpo­wie­dzialne za ruchy nie­za­leżne od naszej woli. Przy­kła­dem może być tutaj roz­sze­rza­nie źre­nic i ruchy pery­stal­tyczne jelit. Dużo bar­dziej zło­żona jest budowa mięśni poprzecz­nie prążk­o­wa­nych, nie dziwi więc fakt, że są one znacz­nie późn­iej­szym ewo­lu­cyj­nie wyna­laz­kiem natury. To wła­śnie one umożl­i­wiają nam poru­sza­nie się. Odręb­nym rodza­jem wyka­zu­jącym szcze­gólne cechy, jest mięsień ser­cowy pom­pu­jący krew.

Mięsień poprzecz­nie prążk­o­wany jest rodza­jem tkanki mięśnio­wej, zło­żo­nej z sil­nie wydłu­żo­nych komórek o prze­kroju wal­co­wa­tym. Jądra komór­kowe są poło­żone obwo­dowo, nato­miast w cen­trum komórki występują liczne i roz­ciąga­jące się na całą jej dłu­gość mio­fi­bryle zbu­do­wane z uło­żo­nych naprze­mien­nie fila­men­tów cien­kich (akty­no­wych) i fila­men­tów gru­bych (mio­zy­no­wych). To wła­śnie ta cecha budowy obja­wia się w obra­zie mikro­sko­po­wym jako cha­rak­te­ry­styczne prążk­o­wa­nie. Zarówno aktyna, jak i mio­zyna są białk­ami moto­rycz­nymi - mają zdol­ność poru­sza­nia się względem sie­bie, nie­jako wsu­wa­nia się między sie­bie. Powo­duje to zmniej­sze­nie dłu­go­ści włókien mięśnio­wych, nato­miast roz­miary samych fila­men­tów pozo­stają nie­zmie­nione. Mięśnie poprzecz­nie prążk­o­wane pra­cują w spo­sób zależny od woli, ale sto­sun­kowo szybko ule­gają zmęcze­niu [6].

Mięśnie jako ele­ment napędowy zwróciły w dru­giej poło­wie XX wieku uwagę nau­kow­ców zaj­mu­jących się bio­mi­me­tyką.

Dzie­dzina ta, nazy­wana także bio­niką jest mul­ti­dy­scy­pli­narną nauką bada­jącą budowę i zasady dzia­ła­nia orga­ni­zmów. Celem jest tu adap­to­wa­nie tych zasad w tech­nice i budo­wie urządzeń tech­nicz­nych odw­zo­ro­wu­jących orga­ni­zmy lub - w prak­tyce - jedy­nie pewne ich ele­menty. Bio­mi­me­tyka stara się pozna­wać na dro­dze eks­pe­ry­mentu nau­ko­wego pro­cesy ste­ru­jące dzia­ła­niem orga­ni­zmów oraz wyko­rzy­sty­wać je w różn­ych obsza­rach dzia­łal­no­ści czło­wieka, m.in w auto­ma­tyce, elek­tro­nice, mecha­nice i budow­nic­twie. Cie­ka­wym przy­kła­dem jest tu opra­co­wa­nie w 1941 roku przez George’a de Mestrala tka­niny Vel­cro, zna­nej dziś pow­szech­nie dzięki wyko­rzy­sta­niu jej w tzw. zapięciach na rzepy. Roz­wiąza­nie to naśla­duje spo­sób roz­sie­wa­nia się nasion łopianu więk­szego Arc­tium lappa, które w natu­rze przy­cze­piają się do sier­ści zwie­rząt i podróżują wraz z nimi, co jest inte­re­su­jącym przy­kła­dem zoo­cho­rii [7].

Dziś pow­szech­nie wyko­rzy­stu­jemy urządze­nia napędowe różn­ego rodzaju, np. sil­niki spa­li­nowe w pojaz­dach, ale też elek­tryczne – szcze­gól­nie w sprzęcie minia­tu­ro­wym. Urządze­nia te naj­czę­ściej wytwa­rzają uży­teczną pracę w postaci ruchu obro­to­wego wału sil­nika. Jest to mecha­nizm zna­cząco różny od formy gene­ro­wa­nia siły i pracy w orga­ni­zmach żywych za pomocą mięśni. Z dru­giej strony, efek­tyw­ność natu­ral­nych mięśni, ich sto­sun­kowo nie­wielka masa i objętość w porów­na­niu do gene­ro­wa­nej siły wydają się bar­dzo kuszące z per­spek­tywy tech­niki i prze­my­słu. Dla­tego bio­mi­me­tycy pro­wa­dzą inten­sywne bada­nia w kie­runku wytwo­rze­nia sztucz­nych mięśni, to jest struk­tur odw­zo­ro­wu­jących przy­najm­niej pewne cechy narządów jako ukła­dów napędo­wych. Jed­nym z inte­re­su­jących przy­kła­dów jest sztuczny mięsień wyko­nany z nylonu, który został opi­sany w cza­so­pi­śmie Science [8]. Foto­gra­fia 1 przed­sta­wia taki sztuczny mięsień wytwo­rzony w mojej pra­cowni.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Sztuczny mięsień nylo­nowy

Sztuczny mięsień nylo­nowy jest ela­styczny, pod wpły­wem obciąże­nia ulega roz­ciągnięciu (Fot.2A).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Sztuczny mięsień nylo­nowy; A– faza roz­kur­czu pod wpły­wem obciąże­nia odważn­i­kiem 60g, B – faza skur­czu

Wokół mięśnia zostało owi­nięte dodat­kowe włókno z two­rzywa sztucz­nego pokry­tego meta­licz­nym sre­brem. Po pod­łącze­niu do niego prądu elek­trycz­nego, całość ulega deli­kat­nemu ogrza­niu, dzięki czemu docho­dzi do skur­czu mięśnia i unie­sie­nia odważn­ika, czyli wytwo­rze­nia uży­tecz­nej pracy (Fot.2B). Dzia­ła­nie mięśnia jest odw­ra­calne: po wyłącze­niu prze­pływu prądu docho­dzi do szyb­kiego sch­ło­dze­nia mięśnia i jego roz­kur­czu.

Ilustracja
Anta­go­ni­styczne dzia­ła­nie dwóch sztucz­nych mięśni nylo­no­wych
ani­ma­cja: doda­tek autora

Poza opi­sa­nym eks­pe­ry­men­tal­nym sztucz­nym mięśniem ist­nieją też inne tech­no­lo­gie, także wyko­rzy­sty­wane dziś już na skalę prze­my­słową. Jedną z nich są sztuczne mięśnie (muskuły) pneu­ma­tyczne. Zasada ich dzia­ła­nia i budowa są na tyle nie­skom­pli­ko­wane – przy­najm­niej w ogól­n­ych zasa­dach – że możemy się poku­sić o budowę pro­stego modelu takiego urządze­nia napędo­wego.

Budowa i obser­wa­cje

Aby zbu­do­wać dzia­ła­jący model sztucz­nego mięśnia pneu­ma­tycz­nego musimy zgro­ma­dzić następu­jące mate­riały:

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Mate­riały potrzebne do budowy naczy­nia; opis w tek­ście

Wymiary wszyst­kich ele­men­tów należy dobrać do swo­ich potrzeb.

Głęb­szego omówie­nia wymaga oplot (Fot.3C) wyko­rzy­sty­wany do och­rony i orga­ni­za­cji różn­ego rodzaju prze­wo­dów, np. w kom­pu­te­rach. Jest on zbu­do­wany z krzy­żu­jących się włókien wyko­na­nych z two­rzywa sztucz­nego (Fot.4).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Zbli­że­nie struk­tury oplotu; A – po roz­ciągnięciu, B – po ści­śnięciu

Inte­re­su­jącą i ważną z punktu widze­nia kon­struk­cji sztucz­nego mięśnia cechą takiego oplotu jest fakt, że jest on struk­turą dyna­miczną: two­rzące go włókna prze­ci­nają się pod różnym kątem w zależn­o­ści od warun­ków. Kiedy ści­skamy oplot, to włókna prze­ci­nają się pod kątem zbli­żo­nym do pro­stego (Fot.4B), nato­miast po roz­ciągnięciu pod zde­cy­do­wa­nie innymi kątami (Fot.4A). Pociąga to za sobą zmianę wymia­rów: pod­czas zmniej­sza­nia wymiaru podłużn­ego wymiar poprzeczny oplotu się powięk­sza i  vice versa (Fot.5).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Zmiana wymia­rów oplotu; góra – roz­ciąga­nie, dół – ści­ska­nie

Wszyst­kie ele­menty należy zesta­wić według sche­matu zamiesz­czo­nego na Rys.1. Ela­styczną rurkę trzeba umie­ścić w oplo­cie, który musi zostać przy­ciąty do tej samej dłu­go­ści. Do rurki wkła­damy następ­nie koniec ela­stycz­nego wężyka, po czym wszystko razem ści­skamy opa­skami (można zasto­so­wać też wie­lo­krotne owi­nięcie mocną nicią). Połącze­nie musi być szczelne, tak aby możl­iwe było nad­mu­cha­nie przez wężyk ela­stycz­nej rurki wew­nątrz oplotu. W ten spo­sób model sztucz­nego mięśnia jest gotowy.

Ilustracja
Rys. 1 – Sche­mat budowy sztucz­nego mięśnia; czarny – oplot, żółty – ela­styczna rurka, nie­bie­ski – wąż, szary – opa­ski zaci­skowe.

Zbu­do­wany w opi­sany spo­sób sztuczny mięsień jest zbli­żony w swo­jej budo­wie do mięśnia szkie­le­to­wego, tj. posiada ele­menty ana­lo­giczne do brzu­śca i ścięgien (Fot.6).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Gotowy sztuczny mięsień (dodano zawór na potrzeby pomia­rów); A – faza roz­kur­czu, B – faza skur­czu
Ilustracja
Praca sztucz­nego mięśnia pneu­ma­tycz­nego
ani­ma­cja: doda­tek autora

Kiedy wew­nątrz mięśnia panuje ciśnie­nie równe ciśnie­niu atmos­fe­rycz­nemu, to mięsień jest w fazie roz­kur­czu (Fot.6A). Nato­miast po zwięk­sze­niu ciśnie­nia, np. poprzez napom­po­wa­nie strzy­kawką, docho­dzi do skur­czu – mięsień się roz­sze­rza, a jed­no­cze­śnie wyraźnie skraca (Fot.6B).

Jeśli cho­dzi wiel­kość skur­czu, to aby ją osza­co­wać musimy zmie­rzyć mięsień w obu sta­nach, co zilu­stro­wa­łem na Fot.7.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Pomiar dłu­go­ści mięśnia w obu fazach

Jak widać, pod­czas roz­kur­czu dłu­gość mięśnia wynosi 80mm, zaś w cza­sie skur­czu 61mm. Dłu­gość struk­tury zmniej­sza się więc o około 25% co jest wyni­kiem porów­ny­wal­nym do niek­tórych mięśni natu­ral­nych.

Jeśli cho­dzi o możl­i­wo­ści wyko­na­nia pracy przez model, to są one zadzi­wia­jąco duże. Opi­sany model o dłu­go­ści kilku cen­ty­me­trów pod­nosi z łatwo­ścią ciężar o masie 400g (Fot.8). W eks­tre­mal­nym przy­padku udało się doko­nać pod­nie­sie­nia odważn­ika o masie 2000g, ale wyma­gało to zasto­so­wa­nia więk­szego ciśnie­nia.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.8 – Sztuczny mięsień pod­no­szący ciężar 0,4kg; A – roz­kurcz, B - skurcz

Tego rodzaju sztuczne mięśnie można połączyć z mode­lami szkie­le­to­wymi. Możl­iwe jest też wytwa­rza­nie mięśni o więcej niż tylko jed­nym brzu­ścu.

Wyja­śnie­nie

Jak więc widzimy, budowa dzia­ła­jącego modelu pneu­ma­tycz­nego sztucz­nego mięśnia nie jest trudna. Co ważne, podobne siłow­niki są sto­so­wane od kilku dekad coraz pow­szech­niej w prze­my­śle – nie jest to więc jedy­nie cie­ka­wostka.

Masa mięśnia pneu­ma­tycz­nego jest nie­wielka, co jest związane z fak­tem, że jego głów­nym ele­men­tem jest ela­styczny prze­wód. Loga­ryt­miczna zależn­ość ciśnie­nia oraz siły gene­ro­wa­nej przez taki ele­ment jest zbli­żona do zależn­o­ści występu­jącej w rze­czy­wi­stych ukła­dach bio­lo­gicz­nych, dzięki czemu łatwiej jest za jego pomocą odw­zo­ro­wać dzia­ła­nie bio­lo­gicz­nych mięśni np. w pro­te­zach. Także ela­stycz­ność jest w obu przy­pad­kach ana­lo­giczna (Fot.9).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot 9 - Ela­stycz­ność sztucz­nego mięśnia

Dodat­kowo dzięki ści­śli­wo­ści gazu, mięśnie pneu­ma­tyczne umożl­i­wiają czę­ściowe zamor­ty­zo­wa­nie nad­miaru siły, a więc jed­no­cze­śnie bar­dziej pre­cy­zyjną pracę. Byłyby więc odpo­wied­nie do napędza­nia aktyw­nych pro­tez kończyn ludz­kich. Nie­stety, takie urządze­nia mają też pewne wady – naj­ważn­iej­szą z nich jest kło­po­tliwe ste­ro­wa­nie.

Mam nadzieję, że udało mi się zain­te­re­so­wać Sza­now­nego Czy­tel­nika tą inte­re­su­jącą dzie­dziną wie­dzy, jaką jest bio­mi­me­tyka.

Lite­ra­tura:

Auto­rem foto­gra­fii i rysun­ków jest Marek Ples.

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa