В России разработали искусственную "мышечную ткань"

Ученые из БФУ вместе с международной командой исследователей разработали уникальный материал, который способен превращать энергию химической реакции в движение, аналогичное мышечному. Его основная особенность заключается в способности к обратимому сжатию и растяжению. Это качество открывает возможности для изучения функционирования мышц, таких как сердечная или кишечная мускулатура, и для создания искусственных мышц. Результаты исследования представлены в журнале Frontiers of Materials Science.

Эмуляция движений, характерных для живых тканей, таких как перистальтика и цилиарное движение, представляет значительное затруднение при применении традиционных механизмов. Мышечные ткани, обладая гибкостью, эластичностью и способностью к саморегуляции, изменяют свои свойства во время работы, что позволяет им выполнять плавные и естественные движения. Имитация такой биомеханики практически недоступна для жестких механических систем, но возможна с использованием полимерных хемомеханических материалов.

Исследователи из БФУ в сотрудничестве с Курским государственным университетом и Санкт-Петербургским НИИ Фтизиопульмонологии разработали инновационный гелевый материал, способный функционировать как мышечная ткань. Гель подвергается расширению и сжатию под воздействием колебательной химической реакции Белоусова-Жаботинского, демонстрируя сложные ритмичные движения, включая автономные сокращения сердца и перистальтические волны.

«Периодические изменения геометрии таких гелей возникают в результате химических колебаний в геле, влияющих на его свойства, как гидрофильность и плотность физической сшивки полимерной матрицы. Движущей силой изменений является периодическая реакция Белоусова-Жаботинского, включающая сложные химические превращения. На основе этих гелей в будущем можно создать устройства для мягкой робототехники, в том числе биомиметические двигатели», — сообщил старший научный сотрудник Центра прикладной нелинейной динамики БФУ им. И. Канта Илья Мальфанов.

Мальфанов также отметил, что разработанные гели демонстрируют амплитуду хемомеханических колебаний объема около 60%, что вдвое превосходит показатели иностранных аналогов.

«В нашей системе, во время периодической реакции происходит окисление и восстановление комплекса железа внутри геля, что приводит к его периодическому расширению и сжатию. Малоновая кислота и бромат натрия играют роль "топлива" для этой химической "мышцы"», — пояснил Мальфанов.

В дальнейшем команда исследователей намерена усовершенствовать характеристики колебаний разработанных материалов для создания устройств, преобразующих колебания гелей в сложные виды движений мягких роботов, такие как ползание, плавание и ходьба.