# Искусственные мышечные волокна: от сложного к простому, области их применения
Часть третья. Бионические протезы, экзоскелеты и экзомышцы
Если задать вопрос: возможна ли имплантация бионической конечности, то ответ будет утвердительным.
Например, в декабре 2024 года хирурги Иркутской областной клинической больницы впервые в России провели реконструкцию кисти с использованием бионического протеза для участника СВО. Индивидуальный протез, изготовленный в Томске, включал недостающие костные и суставные элементы и был адаптирован для восстановления связок, что позволило сохранить двигательную функцию кисти и сократить реабилитацию. Пациент уже на третий день смог двигать рукой и захватывать предметы. Несмотря на то что такой протез нельзя назвать полномасштабным, описываемый случай показывает возможность проведения таких операций, а их перспективность и без этого не вызывает сомнений.
Но нас интересуют именно полноценные, целиком искусственные бионические конечности, имплантированные в живой организм. В открытом доступе есть интересный патент, посвященный созданию интересующей нас бионической конечности. Более того, в этом патенте указывается успешный опыт имплантации такой конечности пациенту. Наше отношение к этому патенту двоякое. С одной стороны, идеи, изложенные в нем, вполне рациональны и принципиально технически реализуемы, хоть и не описываемыми в патенте методами. Одновременно с этим факт имплантации такой бионической конечности и уж тем более заявленный эффект (пациент мог ею управлять и ее использовать) вызывает даже не сомнения, а чувство фантазийности описываемого по двум простым причинам:
Причина первая – биосовместимость и приживаемость описываемых материалов в долгосрочной перспективе (хотя в это, хоть и с трудом, еще можно как-то поверить).
Причина вторая – источник энергии для сокращения мышц. Обратимся к известным фактам: мощность электрических токов, которые возможно собрать с человека, составляет примерно 81 мВт во время сна и до 1630 мВт (1,63 Вт) при активном движении, а биотоки, возникающие в нервной системе и мышцах, сами по себе имеют еще меньшую мощность и обычно измеряются в микроваттах. Таким образом, биотоки организма служат лишь управляющим сигналом, а не источником энергии для совершения работы мышечным волокном. Мощности в единицы микроватт явно недостаточно для даже для приведения в действие бионической конечности, не говоря уже о совершении ею работы, для чего потребовалась бы мощность больше на три порядка. Тем не менее патент RU 2559417 C1 все же интересен для понимания общего принципа создания интересующей нас бионической конечности, и, если не акцентировать внимание на его реализуемости (включая и «технологию» изготовления ИНВ), он прекрасно справляется с этой задачей, позволяя не перегружать данную статью дополнительной информацией.
Теперь, осталось сформулировать основные ключевые моменты, которые должны быть учтены при создании бионической конечности:
Часть третья. Бионические протезы, экзоскелеты и экзомышцы
Если задать вопрос: возможна ли имплантация бионической конечности, то ответ будет утвердительным.
Бионическая конечность – это протез, который не просто заменяет утраченные части тела, а восстанавливает их функции, считывая сигналы от мышц, нервов или головного мозга и управляя движениями протеза, максимально приближёнными к естественным движениям человека.
Например, в декабре 2024 года хирурги Иркутской областной клинической больницы впервые в России провели реконструкцию кисти с использованием бионического протеза для участника СВО. Индивидуальный протез, изготовленный в Томске, включал недостающие костные и суставные элементы и был адаптирован для восстановления связок, что позволило сохранить двигательную функцию кисти и сократить реабилитацию. Пациент уже на третий день смог двигать рукой и захватывать предметы. Несмотря на то что такой протез нельзя назвать полномасштабным, описываемый случай показывает возможность проведения таких операций, а их перспективность и без этого не вызывает сомнений.
Но нас интересуют именно полноценные, целиком искусственные бионические конечности, имплантированные в живой организм. В открытом доступе есть интересный патент, посвященный созданию интересующей нас бионической конечности. Более того, в этом патенте указывается успешный опыт имплантации такой конечности пациенту. Наше отношение к этому патенту двоякое. С одной стороны, идеи, изложенные в нем, вполне рациональны и принципиально технически реализуемы, хоть и не описываемыми в патенте методами. Одновременно с этим факт имплантации такой бионической конечности и уж тем более заявленный эффект (пациент мог ею управлять и ее использовать) вызывает даже не сомнения, а чувство фантазийности описываемого по двум простым причинам:
Причина первая – биосовместимость и приживаемость описываемых материалов в долгосрочной перспективе (хотя в это, хоть и с трудом, еще можно как-то поверить).
Причина вторая – источник энергии для сокращения мышц. Обратимся к известным фактам: мощность электрических токов, которые возможно собрать с человека, составляет примерно 81 мВт во время сна и до 1630 мВт (1,63 Вт) при активном движении, а биотоки, возникающие в нервной системе и мышцах, сами по себе имеют еще меньшую мощность и обычно измеряются в микроваттах. Таким образом, биотоки организма служат лишь управляющим сигналом, а не источником энергии для совершения работы мышечным волокном. Мощности в единицы микроватт явно недостаточно для даже для приведения в действие бионической конечности, не говоря уже о совершении ею работы, для чего потребовалась бы мощность больше на три порядка. Тем не менее патент RU 2559417 C1 все же интересен для понимания общего принципа создания интересующей нас бионической конечности, и, если не акцентировать внимание на его реализуемости (включая и «технологию» изготовления ИНВ), он прекрасно справляется с этой задачей, позволяя не перегружать данную статью дополнительной информацией.
Теперь, осталось сформулировать основные ключевые моменты, которые должны быть учтены при создании бионической конечности:
1)Наличие скелета, например изготовленного из легких сплавов, в частности, алюминия или титана.
2)Наличие искусственных мышц, управляемых биотоками человека.
3)Наличие долгодействующего источника питания для ИМВ, из которых состоят искусственные мышцы. Здесь идеальны ИМВ химического типа, которые можно периодически заправлять раствором сахаров через специальный порт.
4)Наличие внешней оболочки, закрывающей конструкцию искусственного скелета и мышц и имитирующей кожу.
5)Наличие интегрированных ИНВ и ИТД, что обеспечивает управление бионической конечностью и обратную связь с мозгом в части передачи тактильных ощущений, воспринимаемых искусственной бионической конечностью.
6)Требование к долгосрочной биосовместимости, если речь идет об импланте, или, как минимум, биоинертности, если речь идет о снимаемой бионической конечности.
7)Требование к способности к саморегенерации – наиболее простое в технической реализации. Самовосстанавливающиеся материалы давно известны и уже второй десяток лет активно и массово используются в технике.
В названии этой части публикации есть слово «экзоскелет» и слово «экзомышцы». Создание описываемых бионических конечностей и нового поколения экзоскелета необычайно похожи. Перспективные экзоскелеты должны выглядеть скорее не как существующие классические экзоскелеты, например, хорошо описанные вот в этом патенте, а скорее как надеваемый комбинезон, содержащий структурные элементы, воспринимающие нагрузки и являющиеся функциональными аналогами и дублерами костей, и искусственные мышцы, воспринимающие биотоки, считываемые с соответствующих участков кожи и управляющие ИМВ искусственных мышц, действующие согласованно с биологическими мышцами, многократно усиливая совершаемую ими работу. Питание для экзомышц экзоскелета может осуществляться как электрической энергией за счет носимого аккумулятора, так и за счет химической реакции окисления сахаров (в случае с ИМВ химического типа, описанными в первой части публикации). При этом необходимо будет решить вопросы теплопереноса и отвода тепла, в т.ч. тепла, выделяемого организмом человека, но эти задачи более чем реализуемы и не представляют инженерной сложности.
2)Наличие искусственных мышц, управляемых биотоками человека.
3)Наличие долгодействующего источника питания для ИМВ, из которых состоят искусственные мышцы. Здесь идеальны ИМВ химического типа, которые можно периодически заправлять раствором сахаров через специальный порт.
4)Наличие внешней оболочки, закрывающей конструкцию искусственного скелета и мышц и имитирующей кожу.
5)Наличие интегрированных ИНВ и ИТД, что обеспечивает управление бионической конечностью и обратную связь с мозгом в части передачи тактильных ощущений, воспринимаемых искусственной бионической конечностью.
6)Требование к долгосрочной биосовместимости, если речь идет об импланте, или, как минимум, биоинертности, если речь идет о снимаемой бионической конечности.
7)Требование к способности к саморегенерации – наиболее простое в технической реализации. Самовосстанавливающиеся материалы давно известны и уже второй десяток лет активно и массово используются в технике.
В названии этой части публикации есть слово «экзоскелет» и слово «экзомышцы». Создание описываемых бионических конечностей и нового поколения экзоскелета необычайно похожи. Перспективные экзоскелеты должны выглядеть скорее не как существующие классические экзоскелеты, например, хорошо описанные вот в этом патенте, а скорее как надеваемый комбинезон, содержащий структурные элементы, воспринимающие нагрузки и являющиеся функциональными аналогами и дублерами костей, и искусственные мышцы, воспринимающие биотоки, считываемые с соответствующих участков кожи и управляющие ИМВ искусственных мышц, действующие согласованно с биологическими мышцами, многократно усиливая совершаемую ими работу. Питание для экзомышц экзоскелета может осуществляться как электрической энергией за счет носимого аккумулятора, так и за счет химической реакции окисления сахаров (в случае с ИМВ химического типа, описанными в первой части публикации). При этом необходимо будет решить вопросы теплопереноса и отвода тепла, в т.ч. тепла, выделяемого организмом человека, но эти задачи более чем реализуемы и не представляют инженерной сложности.
# Искусственные мышечные волокна: от сложного к простому, области их применения
Часть четвертая. Нервные волокна – основа применения всех перспективных ИМВ
Мощность биотоков, генерируемых человеком, очень мала: например, электрическая активность мозга выражается импульсами с амплитудой около 500 микровольт и частотой от 0,5 до 55 Гц. Сердце также вырабатывает биотоки, которые можно зафиксировать с помощью ЭКГ, но их сила и мощность крайне низки и измеряются в микроваттах. Поэтому, чтобы работать с такими токами, нужны особенные материалы, и они уже сейчас существуют. Например, в журнале Nature Biomedical Engineering опубликована статья о растяжимом нейроморфном эфферентном нерве (SNEN), который позволяет управлять движением мышц у мышей, имитируя работу настоящих нервных волокон, и обеспечивает обратную связь с мозгом (DOI: 10.1038/s41551-022-00918-x.). В журнале Science Robotics описан нейромышечно-скелетный интерфейс для бионических протезов, где электроды подключаются к остаткам нервов и мышц, а сигналы передаются напрямую для управления движениями протеза. В журнале Journal of Visualized Experiments описаны методы хирургической имплантации и управления такими устройствами на животных моделях. Есть неплохая русскоязычная статья: "Физиологические обоснования метода искусственной коррекции движений посредством программируемой электростимуляции мышц при ходьбе" (авторы: Витензон А.С., Петрушанская К.А.), опубликованная в Российском журнале биомеханики (выпуск 2 (48), том 14, 2010 год), где подробно рассмотрены теоретические и практические аспекты электростимуляции мышц для коррекции движений.
В этой публикации мы не будем пересказывать информацию об ИНВ, которой вполне достаточно в открытом доступе, а лучше сосредоточимся на более простых ИНВ, больше пригодных для роботов, начиная с зооморфных и андроидных, о которых речь пойдет в следующих публикациях. Впрочем, описываемые принципы могут быть вполне применимы и в области медицины в части протезирования настоящих нервных волокон. Для выполнения поставленной задачи лучше всего сформулировать требования к таким ИНВ и указать основные принципы их создания:
Часть четвертая. Нервные волокна – основа применения всех перспективных ИМВ
Мощность биотоков, генерируемых человеком, очень мала: например, электрическая активность мозга выражается импульсами с амплитудой около 500 микровольт и частотой от 0,5 до 55 Гц. Сердце также вырабатывает биотоки, которые можно зафиксировать с помощью ЭКГ, но их сила и мощность крайне низки и измеряются в микроваттах. Поэтому, чтобы работать с такими токами, нужны особенные материалы, и они уже сейчас существуют. Например, в журнале Nature Biomedical Engineering опубликована статья о растяжимом нейроморфном эфферентном нерве (SNEN), который позволяет управлять движением мышц у мышей, имитируя работу настоящих нервных волокон, и обеспечивает обратную связь с мозгом (DOI: 10.1038/s41551-022-00918-x.). В журнале Science Robotics описан нейромышечно-скелетный интерфейс для бионических протезов, где электроды подключаются к остаткам нервов и мышц, а сигналы передаются напрямую для управления движениями протеза. В журнале Journal of Visualized Experiments описаны методы хирургической имплантации и управления такими устройствами на животных моделях. Есть неплохая русскоязычная статья: "Физиологические обоснования метода искусственной коррекции движений посредством программируемой электростимуляции мышц при ходьбе" (авторы: Витензон А.С., Петрушанская К.А.), опубликованная в Российском журнале биомеханики (выпуск 2 (48), том 14, 2010 год), где подробно рассмотрены теоретические и практические аспекты электростимуляции мышц для коррекции движений.
В этой публикации мы не будем пересказывать информацию об ИНВ, которой вполне достаточно в открытом доступе, а лучше сосредоточимся на более простых ИНВ, больше пригодных для роботов, начиная с зооморфных и андроидных, о которых речь пойдет в следующих публикациях. Впрочем, описываемые принципы могут быть вполне применимы и в области медицины в части протезирования настоящих нервных волокон. Для выполнения поставленной задачи лучше всего сформулировать требования к таким ИНВ и указать основные принципы их создания:
1)Способность ИНВ к интеграции с биологическим нервным окончанием человека – это требование важно для бионических протезов и экзоскелетов.
Такая проблема уже сейчас решается за счет биосовместимых полимеров: полиазулена, полипиррола, политиофена, ряда других полимеров (например, поли-α-нафтиламина и его сополимеров), а также их смесей. Многие из указанных полимеров не только биосовместимы, но и способны к срастанию с нервами, способствуя их восстановлению.
2)Способность ИНВ передавать обратный сигнал мозгу, нервному управляющему центру (в случае некоторых зооморфных роботов – об этом речь пойдет в следующих публикациях) или электронному вычислительному устройству от микропроцессора до микроконтроллера.
Токовый импульс в живом нерве проходит одновременно от управляющего центра (например, мозга, процессора) и к управляющему центру от управляемой мышцы. В биологических системах, включая организм человека, это происходит за счет перемещения по объему волокна зарядов: отрицательных (электронов) и положительных (ионов натрия и калия). Повторение такого механизма передачи, а не замена ИНВ на, скажем, металлическую нить, крайне важно для выполнения п.4 и п.5 и обеспечивается микропористой структурой нерва, выполненного в форме ионной мембраны.
3)Необязательна, но очень желательна способность к самовосстановлению в случае, например, механического повреждения.
Это относительно простая задача, решаемая за счет микрокапсулирования в объеме волокна сшивающих агентов и эффектов самосборки.
4)Малые омические потери при передаче управлявшего импульса тока в сочетании со способностью распределённой передачи управляющего сигнала и такой же способностью к формированию ответного сигнала.
Органический проводник – это не металл, и его проводимость оставляет желать лучшего. Но решение найдено самой природой: если попытаться кратко объяснить механизм ионной передачи импульса, то он схож с механической передачей импульса от подвешенного на нитке металлического шарика другим шарикам, что приводит в движение замыкающий шарик. Но самое важное, что дает такой механизм, – это возможность создания сети нервов, позволяющей имитировать способность ощущать прикосновение в любой точке поверхности тела (для организма или поверхности конструкции для робота).
5)Согласование частот, генерируемых ИНВ, с частотами, воспринимаемыми организмом.
Эта задача решается сразу по двум направлениям: ионное взаимодействие (в случае сращивания ИНВ с настоящим нервом) и модуляция соответствующих ответных импульсов за счет подбора соответствующих органических пьезоволокон, включённых в состав ИНВ.
Таким образом, ИНВ, с одной стороны, уже существуют в реальности, с другой стороны, нет технологических ограничений в их развитии, а использование ИНВ существенно увеличивает функционал роботов и бионических конечностей.
Продолжение следует.
Такая проблема уже сейчас решается за счет биосовместимых полимеров: полиазулена, полипиррола, политиофена, ряда других полимеров (например, поли-α-нафтиламина и его сополимеров), а также их смесей. Многие из указанных полимеров не только биосовместимы, но и способны к срастанию с нервами, способствуя их восстановлению.
2)Способность ИНВ передавать обратный сигнал мозгу, нервному управляющему центру (в случае некоторых зооморфных роботов – об этом речь пойдет в следующих публикациях) или электронному вычислительному устройству от микропроцессора до микроконтроллера.
Токовый импульс в живом нерве проходит одновременно от управляющего центра (например, мозга, процессора) и к управляющему центру от управляемой мышцы. В биологических системах, включая организм человека, это происходит за счет перемещения по объему волокна зарядов: отрицательных (электронов) и положительных (ионов натрия и калия). Повторение такого механизма передачи, а не замена ИНВ на, скажем, металлическую нить, крайне важно для выполнения п.4 и п.5 и обеспечивается микропористой структурой нерва, выполненного в форме ионной мембраны.
3)Необязательна, но очень желательна способность к самовосстановлению в случае, например, механического повреждения.
Это относительно простая задача, решаемая за счет микрокапсулирования в объеме волокна сшивающих агентов и эффектов самосборки.
4)Малые омические потери при передаче управлявшего импульса тока в сочетании со способностью распределённой передачи управляющего сигнала и такой же способностью к формированию ответного сигнала.
Органический проводник – это не металл, и его проводимость оставляет желать лучшего. Но решение найдено самой природой: если попытаться кратко объяснить механизм ионной передачи импульса, то он схож с механической передачей импульса от подвешенного на нитке металлического шарика другим шарикам, что приводит в движение замыкающий шарик. Но самое важное, что дает такой механизм, – это возможность создания сети нервов, позволяющей имитировать способность ощущать прикосновение в любой точке поверхности тела (для организма или поверхности конструкции для робота).
5)Согласование частот, генерируемых ИНВ, с частотами, воспринимаемыми организмом.
Эта задача решается сразу по двум направлениям: ионное взаимодействие (в случае сращивания ИНВ с настоящим нервом) и модуляция соответствующих ответных импульсов за счет подбора соответствующих органических пьезоволокон, включённых в состав ИНВ.
Таким образом, ИНВ, с одной стороны, уже существуют в реальности, с другой стороны, нет технологических ограничений в их развитии, а использование ИНВ существенно увеличивает функционал роботов и бионических конечностей.
Продолжение следует.
# Искусственные мышечные волокна: от сложного к простому, области их применения
Часть пятая. Проблемы сопряжения ИМВ, ИНВ и ИТД
Для начала нужно сказать, когда и в каких случаях возникают проблемы сопряжения ИМВ, ИНВ и ИТД и для каких практических задач их необходимо решать. Все эти задачи обусловлены необходимостью копирования работы соответствующих структур живого организма, а также создания рефлекторного уровня управления, и могут возникать в следующих случаях:
1) При создании роботов, например, зооморфного робота-змеи, когда требуется синхронизированное управление массивом ИМВ в сочетании с необходимостью мгновенного отклика на внешние раздражители, тактильные ощущения поверхности, по которой ползет робот-змея. Решение такой задачи многократно упрощает управление роботом, создавая возможность его массового применения, а процессы управления во многом переносятся на подобие рефлекторного уровня (пример такого уровня – отдергивание руки человека от горячего предмета или в случае укола шипом растения, укуса насекомого). Такой рефлекторный уровень на примере робота-змеи позволяет, например, задать роботу лишь направление, предоставив ему самостоятельно решать, как преодолеть маршрут.
2) В медицинском аспекте, при создании бионических протезов конечностей. Здесь все просто: это возможность неживой бионической конечности восприниматься мозгом человека как собственной части тела, и возможность бессознательного контроля бионической конечности. Но здесь еще важно согласование такой искусственной системы с ее естественным биологическим аналогом, о чем уже говорилось ранее.
3) В случае задач по созданию человекоподобных роботов следующего поколения. Собственно, это объединенные задачи по п.1 и п.2.
Принцип решения этих задач един – создание разветвлённой сети нервных волокон, объединенных в нити. Основываясь непосредственно на нашем опыте, весьма перспективным оказался путь создания сети нервных волокон путем ввода в композитную эластомерную матрицу микроволокон ИНВ и пропитку этой композицией, до ее отверждения, пучка из ИМВ. В этом случае для создания ИТД достаточно покрыть в нужных местах отвержденную эластомерную композицию таким же составом, где ИНВ содержат в своем составе органические нитевидные пьезоэлементы. Главные преимущества описываемого способа – невысокая цена и простота исполнения в сочетании с надежностью и эффективностью.
В этой части публикации говорится о тех случаях, когда такое сопряжение необходимо для получения существенного выигрыша в функциональности, технологичности и стоимости производства робота или элементов робототехники. Во всех других случаях вполне достаточно обойтись куда более простыми решениями без описываемого интегрального объединения ИМВ, ИНВ и ИТД.
Продолжение следует.
Часть пятая. Проблемы сопряжения ИМВ, ИНВ и ИТД
Для начала нужно сказать, когда и в каких случаях возникают проблемы сопряжения ИМВ, ИНВ и ИТД и для каких практических задач их необходимо решать. Все эти задачи обусловлены необходимостью копирования работы соответствующих структур живого организма, а также создания рефлекторного уровня управления, и могут возникать в следующих случаях:
1) При создании роботов, например, зооморфного робота-змеи, когда требуется синхронизированное управление массивом ИМВ в сочетании с необходимостью мгновенного отклика на внешние раздражители, тактильные ощущения поверхности, по которой ползет робот-змея. Решение такой задачи многократно упрощает управление роботом, создавая возможность его массового применения, а процессы управления во многом переносятся на подобие рефлекторного уровня (пример такого уровня – отдергивание руки человека от горячего предмета или в случае укола шипом растения, укуса насекомого). Такой рефлекторный уровень на примере робота-змеи позволяет, например, задать роботу лишь направление, предоставив ему самостоятельно решать, как преодолеть маршрут.
2) В медицинском аспекте, при создании бионических протезов конечностей. Здесь все просто: это возможность неживой бионической конечности восприниматься мозгом человека как собственной части тела, и возможность бессознательного контроля бионической конечности. Но здесь еще важно согласование такой искусственной системы с ее естественным биологическим аналогом, о чем уже говорилось ранее.
3) В случае задач по созданию человекоподобных роботов следующего поколения. Собственно, это объединенные задачи по п.1 и п.2.
Принцип решения этих задач един – создание разветвлённой сети нервных волокон, объединенных в нити. Основываясь непосредственно на нашем опыте, весьма перспективным оказался путь создания сети нервных волокон путем ввода в композитную эластомерную матрицу микроволокон ИНВ и пропитку этой композицией, до ее отверждения, пучка из ИМВ. В этом случае для создания ИТД достаточно покрыть в нужных местах отвержденную эластомерную композицию таким же составом, где ИНВ содержат в своем составе органические нитевидные пьезоэлементы. Главные преимущества описываемого способа – невысокая цена и простота исполнения в сочетании с надежностью и эффективностью.
В этой части публикации говорится о тех случаях, когда такое сопряжение необходимо для получения существенного выигрыша в функциональности, технологичности и стоимости производства робота или элементов робототехники. Во всех других случаях вполне достаточно обойтись куда более простыми решениями без описываемого интегрального объединения ИМВ, ИНВ и ИТД.
Продолжение следует.
Цикл публикаций, посвященный искусственным мышечным волокнам и их применению, подходит к своему завершению. Впереди самые интересные публикации, освещающие альтернативные пути создания нервных центров и мозговых структур, публикация о проблеме (в свете технического аспекта) модернизации человека до состояния киборга и о том, каковы перспективы создания биоробота на примере фантазийного терминатора Т-800. Сейчас же, совсем ненадолго, буквально на несколько дней, сделаем небольшую паузу в цикле публикаций, чтобы немного уделить время другим тематикам и рассказать о канале: с какой целью он создан, как рождается материал для публикаций, кого мы видим читателями и подписчиками канала, чем он может быть интересен. Кроме того, расскажем о некоторых промежуточных результатах испытаний новейших систем трансдермального переноса и создания на их основе онкопротекторных космецевтических препаратов (кремов для загара и ухода за телом) – продуктов, созданных на стыке космецевтики, технологии БАД и фармацевтики.
# Несколько слов о телеграмм-канале
Несколько слов о канале: с какой целью он создан, как рождается материал для публикаций, кого мы видим читателями и подписчиками канала, чем он может быть интересен.
О чем этот канал? Как и сказано в описании канала, это канал о технике и технологиях. Авторы публикаций канала – исследователи, разработчики, люди, знающие и любящие свое дело. Канал не претендует на объективность, хотя бы с формальной точки зрения (об этом несколькими словами позже), но старается быть честным, а при оценке того или иного аспекта принимать во внимание как можно большее количество источников информации и мнений оппонентов. Формат телеграмм-канала не предполагает к публикации полноценных научных статей, но это и не нужно, поскольку хочется, чтобы материал был интересен как можно более широкому кругу читателей. Вместе с тем, любое наше утверждение, сделанное в публикациях канала, может быть, при необходимости, подтверждено результатами литературного поиска, протоколами испытаний и измерений, расчетами и другими подобными методами, на которых строится написание любой полноценной научной статьи.
Почему он создан и для чего? Компания ЭОН объединяет и координирует большое количество специалистов: своих сотрудников, специалистов из ряда научно-исследовательских организаций, работающих над совместными проектами или поддерживающих отношения в рамках научно-технического сотрудничества. В процессе работы за многие годы накопилось большое количество технических идей, концепций, научно-технического задела. Проведено множество испытаний, изготовлена не одна сотня прототипов, а зачастую – экспериментальных полноценных образцов. Наши области интересов, по которым сформирован и продолжает формироваться научно-технический задел, широки: от материаловедения (например, мы одни из первых, кто много лет назад получили одностенные бездефектные УНТ химическим методом из метана, а также гибридные азотсодержащие УНТ), технологий основного органического синтеза и нефтепереработки, смазочных материалов до технологий производства фармацевтических субстанций, продуктов тонкого синтеза и сложных механических изделий, включая робототехнику и двигатели, в т.ч. адаптированные для БПЛА. Все технологии, концепты являются актуальными в настоящее время и на время их реализации и зачастую превосходят по ряду показателей не только технических, но, что не менее важно, экономических, большинство известных технологий. Таким образом, цель создания канала – привлечь внимание к имеющемуся научно-техническому заделу с целью его коммерциализации по любым возможным вариантам: от продажи технологий до осуществления совместной деятельности.
Кому он адресован? Канал адресован в первую очередь техническим специалистам, специалистам компаний, собирающим техническую информацию для ее предоставления руководству, для конструкторов и инженеров, закладывающих те или иные решения в свои разработки. Но мы стараемся, чтобы даже серьезная техническая информация была понятна читателю, не имеющему профильного образования, а ее прочтение было бы интересным.
Несколько слов о канале: с какой целью он создан, как рождается материал для публикаций, кого мы видим читателями и подписчиками канала, чем он может быть интересен.
О чем этот канал? Как и сказано в описании канала, это канал о технике и технологиях. Авторы публикаций канала – исследователи, разработчики, люди, знающие и любящие свое дело. Канал не претендует на объективность, хотя бы с формальной точки зрения (об этом несколькими словами позже), но старается быть честным, а при оценке того или иного аспекта принимать во внимание как можно большее количество источников информации и мнений оппонентов. Формат телеграмм-канала не предполагает к публикации полноценных научных статей, но это и не нужно, поскольку хочется, чтобы материал был интересен как можно более широкому кругу читателей. Вместе с тем, любое наше утверждение, сделанное в публикациях канала, может быть, при необходимости, подтверждено результатами литературного поиска, протоколами испытаний и измерений, расчетами и другими подобными методами, на которых строится написание любой полноценной научной статьи.
Почему он создан и для чего? Компания ЭОН объединяет и координирует большое количество специалистов: своих сотрудников, специалистов из ряда научно-исследовательских организаций, работающих над совместными проектами или поддерживающих отношения в рамках научно-технического сотрудничества. В процессе работы за многие годы накопилось большое количество технических идей, концепций, научно-технического задела. Проведено множество испытаний, изготовлена не одна сотня прототипов, а зачастую – экспериментальных полноценных образцов. Наши области интересов, по которым сформирован и продолжает формироваться научно-технический задел, широки: от материаловедения (например, мы одни из первых, кто много лет назад получили одностенные бездефектные УНТ химическим методом из метана, а также гибридные азотсодержащие УНТ), технологий основного органического синтеза и нефтепереработки, смазочных материалов до технологий производства фармацевтических субстанций, продуктов тонкого синтеза и сложных механических изделий, включая робототехнику и двигатели, в т.ч. адаптированные для БПЛА. Все технологии, концепты являются актуальными в настоящее время и на время их реализации и зачастую превосходят по ряду показателей не только технических, но, что не менее важно, экономических, большинство известных технологий. Таким образом, цель создания канала – привлечь внимание к имеющемуся научно-техническому заделу с целью его коммерциализации по любым возможным вариантам: от продажи технологий до осуществления совместной деятельности.
Кому он адресован? Канал адресован в первую очередь техническим специалистам, специалистам компаний, собирающим техническую информацию для ее предоставления руководству, для конструкторов и инженеров, закладывающих те или иные решения в свои разработки. Но мы стараемся, чтобы даже серьезная техническая информация была понятна читателю, не имеющему профильного образования, а ее прочтение было бы интересным.
# Промежуточные итоги испытаний препаратов с использованием ХСТДП
ХСТДП (химические системы трансдермального переноса) – это комплекс химических соединений, осуществляющих перенос биологически- (и/или фармацевтически-) активных соединений через плотные слои эпидермиса, обеспечивая их попадание в глубокие слои кожи и кровоток организма. В данной публикации приводятся неожиданные данные, касающиеся испытаний космецевтической продукции, проявившей онкопротекторные свойства.
О ХСТДП говорилось ранее. В процессе разработки в области перспективных фармацевтических и космецевтических препаратов нами были созданы экспериментальные партии космецевтических продуктов: крема для загара и крема для ухода за телом. Особенность их рецептуры состоит в использовании в рецептуре ХСТДП и биологически активных соединений, выделенных из грибов Inonotus obliquus (березовая чага) и Lentinula edodes (шиитаке).
Действие активных соединений является известным и клинически доказанным (например, лентинан – это вещество и одноименный противоопухолевый препарат). Новшеством в данном случае являются технологии их селективного выделения и сочетания с ХСТДП. Поэтому вполне ожидаемым и прогнозируемым было общеукрепляющее и онкопротекторное действие на организм (в креме для ухода за телом) и онкопротекторное и, в меньшей степени, общеукрепляющее (из-за особенностей рецептур) действие в креме для загара. Однако совершенно неожиданными явились более выраженные свойства этих соединений в борьбе с раком кожи. В публикации приводим результаты испытаний на «гуманизированных» мышах линий NOD/SCID и NSG, где препараты показали замедление роста меланомы вплоть до ее остановки.
Безусловно, для использования выявленного эффекта в медицине требуются дальнейшие исследования и испытания, однако он служит хорошим дополнительным подтверждением заданных при разработке ключевых свойств наших космецевтических препаратов (общеукрепляющего крема и крема для загара с онкопротектором).
ХСТДП (химические системы трансдермального переноса) – это комплекс химических соединений, осуществляющих перенос биологически- (и/или фармацевтически-) активных соединений через плотные слои эпидермиса, обеспечивая их попадание в глубокие слои кожи и кровоток организма. В данной публикации приводятся неожиданные данные, касающиеся испытаний космецевтической продукции, проявившей онкопротекторные свойства.
О ХСТДП говорилось ранее. В процессе разработки в области перспективных фармацевтических и космецевтических препаратов нами были созданы экспериментальные партии космецевтических продуктов: крема для загара и крема для ухода за телом. Особенность их рецептуры состоит в использовании в рецептуре ХСТДП и биологически активных соединений, выделенных из грибов Inonotus obliquus (березовая чага) и Lentinula edodes (шиитаке).
•Вещества-антиоксиданты и вещества, усиливающие иммунитет: KS-2, эмитанин,
L-эрготионеин, эритаденин, меланин.
•Бета-глюканы, включая лентинан. Бета-глюканы стимулируют иммунную систему, активируют клетки-киллеры и способствуют уничтожению раковых клеток, а также борются с антивозрастными изменениями.
•Птерины – признаны медициной как вещества с противоопухолевым действием, также являются мягкими иммуностимуляторами.
•Бетулин и бетулиновая кислота – обладают выраженной противораковой активностью, особенно бетулиновая кислота может тормозить развитие опухолей.
•Тритерпеноиды ланостанового ряда – около 40 соединений с противоопухолевыми свойствами.
•Меланин – выступает не только антиоксидантом, но и помогает организму справляться с последствиями радиации и окислительного стресса.
Действие активных соединений является известным и клинически доказанным (например, лентинан – это вещество и одноименный противоопухолевый препарат). Новшеством в данном случае являются технологии их селективного выделения и сочетания с ХСТДП. Поэтому вполне ожидаемым и прогнозируемым было общеукрепляющее и онкопротекторное действие на организм (в креме для ухода за телом) и онкопротекторное и, в меньшей степени, общеукрепляющее (из-за особенностей рецептур) действие в креме для загара. Однако совершенно неожиданными явились более выраженные свойства этих соединений в борьбе с раком кожи. В публикации приводим результаты испытаний на «гуманизированных» мышах линий NOD/SCID и NSG, где препараты показали замедление роста меланомы вплоть до ее остановки.
«Гуманизированные» мыши линий NOD/SCID и NSG – это мыши, у которых отсутствует иммунитет и им можно пересаживать человеческие клетки меланомы для изучения их поведения и тестирования терапии.
Безусловно, для использования выявленного эффекта в медицине требуются дальнейшие исследования и испытания, однако он служит хорошим дополнительным подтверждением заданных при разработке ключевых свойств наших космецевтических препаратов (общеукрепляющего крема и крема для загара с онкопротектором).
# Промежуточные итоги испытаний препаратов с использованием ХСТДП
Эта публикация – продолжение предыдущей публикации, своего рода небольшой отчет об еще одном препарате, созданном с применением разработанной новейшей ХСТДП
Противоожоговый крем с ХСТДП занимает промежуточное положение между чистым космецевтическим и фармацевтическим направлением. Действующими веществами противоожогового крем-геля являются хитозановые микрочастицы и комплексы гиалуроновой кислоты в сочетании с ХСТДП. Хитозан и гиалуроновая кислота традиционно используются в медицине для лечения ожогов, однако их сочетание в форме супрамолекулярного комплекса и ХСТДП значительно усиливает действие по стимулированию роста грануляционной ткани и способности предотвращать образование рубцов. Кроме того, дополнительно над ожоговой поверхностью образуется дышащая и увлажняющая пленка с бактерицидными свойствами, что также способствует заживлению пораженного участка кожи, а сам препарат обладает обезболивающими свойствами за счёт снижения скорости проведения ноцицептивных (болевых) импульсов в периферических нейронах. На фотографиях представлена динамика заживления термического ожога с глубоким поражением кожи (степень ожога IIIа, т.е. были повреждены все слои кожи); время заживления до состояния, отображенного на фотографии - 12 дней.
Эта публикация – продолжение предыдущей публикации, своего рода небольшой отчет об еще одном препарате, созданном с применением разработанной новейшей ХСТДП
Противоожоговый крем с ХСТДП занимает промежуточное положение между чистым космецевтическим и фармацевтическим направлением. Действующими веществами противоожогового крем-геля являются хитозановые микрочастицы и комплексы гиалуроновой кислоты в сочетании с ХСТДП. Хитозан и гиалуроновая кислота традиционно используются в медицине для лечения ожогов, однако их сочетание в форме супрамолекулярного комплекса и ХСТДП значительно усиливает действие по стимулированию роста грануляционной ткани и способности предотвращать образование рубцов. Кроме того, дополнительно над ожоговой поверхностью образуется дышащая и увлажняющая пленка с бактерицидными свойствами, что также способствует заживлению пораженного участка кожи, а сам препарат обладает обезболивающими свойствами за счёт снижения скорости проведения ноцицептивных (болевых) импульсов в периферических нейронах. На фотографиях представлена динамика заживления термического ожога с глубоким поражением кожи (степень ожога IIIа, т.е. были повреждены все слои кожи); время заживления до состояния, отображенного на фотографии - 12 дней.
# Искусственные мышечные волокна – «живое» моторное масло
Прежде чем вернуться к продолжению цикла публикаций об ИМВ, небольшая заметка про практическое их применение в маслах: моторных, трансмиссионных, гидравлических. В первой публикации цикла говорилось о макроскопических ИМВ из полимеров, способных сокращаться под действием тепла. Несколько изменив структуру таких ИМВ, можно получить ИМВ со способностью расширяться, а уйдя в субмикронный размер – получить их устойчивую дисперсию, например, в минеральном масле. Одним из ключевых параметров масел (моторных, трансмиссионных, гидравлических) является показатель индекса вязкости. Этот показатель демонстрирует, насколько масло сохраняет свою вязкость постоянной вне зависимости от температуры: чем больше показатель индекса вязкости, тем более постоянна вязкость. Традиционно для придания маслам таких свойств в чистые базовые масла добавляют полимерные присадки, т.н. модификаторы вязкости. Когда масло холодное, молекулы полимера находятся в форме глобулы, уменьшая вязкость масла. Когда происходит нагрев, базовое масло теряет вязкость и становится более жидким, а молекулы полимера из состояния глобулы раскрываются в развернутые структуры, повышая вязкость масла, таким образом стремясь компенсировать уменьшение вязкости системы «базовое масло – полимер». Собственно, по такому же принципу работают и синтезированные нами микроскопические микроволокна ИМВ, но делают это значительно эффективнее. Например, минеральное масло имеет индекс вязкости около 90. Добавкой, например, полиизобутилена его можно поднять до 150-180, а при добавке куда меньшего количества ИМВ удалось получить индекс вязкости, равный 978. При этом расчеты показывают принципиальную возможность создания масляных систем с индексом вязкости свыше 2600. Данный эффект крайне интересен, и мы намерены продолжить его изучение с целью возможности в дальнейшем использовать его для создания линейки новейших «живых» масел, применяемых в технике.
Прежде чем вернуться к продолжению цикла публикаций об ИМВ, небольшая заметка про практическое их применение в маслах: моторных, трансмиссионных, гидравлических. В первой публикации цикла говорилось о макроскопических ИМВ из полимеров, способных сокращаться под действием тепла. Несколько изменив структуру таких ИМВ, можно получить ИМВ со способностью расширяться, а уйдя в субмикронный размер – получить их устойчивую дисперсию, например, в минеральном масле. Одним из ключевых параметров масел (моторных, трансмиссионных, гидравлических) является показатель индекса вязкости. Этот показатель демонстрирует, насколько масло сохраняет свою вязкость постоянной вне зависимости от температуры: чем больше показатель индекса вязкости, тем более постоянна вязкость. Традиционно для придания маслам таких свойств в чистые базовые масла добавляют полимерные присадки, т.н. модификаторы вязкости. Когда масло холодное, молекулы полимера находятся в форме глобулы, уменьшая вязкость масла. Когда происходит нагрев, базовое масло теряет вязкость и становится более жидким, а молекулы полимера из состояния глобулы раскрываются в развернутые структуры, повышая вязкость масла, таким образом стремясь компенсировать уменьшение вязкости системы «базовое масло – полимер». Собственно, по такому же принципу работают и синтезированные нами микроскопические микроволокна ИМВ, но делают это значительно эффективнее. Например, минеральное масло имеет индекс вязкости около 90. Добавкой, например, полиизобутилена его можно поднять до 150-180, а при добавке куда меньшего количества ИМВ удалось получить индекс вязкости, равный 978. При этом расчеты показывают принципиальную возможность создания масляных систем с индексом вязкости свыше 2600. Данный эффект крайне интересен, и мы намерены продолжить его изучение с целью возможности в дальнейшем использовать его для создания линейки новейших «живых» масел, применяемых в технике.
# Искусственные мышечные волокна: от сложного к простому, области их применения
Часть шестая. Создание нервных центров и микромозга – замена микроконтроллерам управления системой ИМВ
Продолжение. Начало цикла здесь.
«Глуп как еж» - может быть, еж и глуп (среди млекопитающих), но вот у насекомых мозг и того меньше. Собственно, это микромозг или нервные центры – своего рода аналоги простейших электронных микроконтроллеров, обеспечивающих адекватное взаимодействие насекомых с окружающей средой. Для очень большого числа практических задач вовсе необязательно наделять зооморфного робота электронным аналогом мозга: можно во многом вовсе обойтись без электроники, заменив ее на искусственные нервные центры и аналоги микромозга.
Количество нейронов в мозге насекомых различается: у обыкновенной плодовой мушки – 100 000 нейронов, а у медоносной пчелы — 1 миллион нейронов (для сравнения, в человеческом мозге около 86 миллиардов нейронов).
Впрочем, если совсем уж копировать работу микромозга насекомого, это может начать противоречить массовости. Поэтому, несмотря на результативные попытки создания биологического искусственного мозга рядом исследовательских групп, рассмотрим иные подходы, начав с формулировки элементарных задач для насекомого и подбора аналогов для робота, попутно предлагая варианты реализации.
Задача действия для насекомых – это, например, добыть еду, защитить муравейник, а для зооморфного робота – поразить уже найденную цель, сбросить доставляемый груз. Такая задача может быть легко решена за счет управления ИМВ с помощью ИНВ, модифицированных тем или иным сенсором, например веществами, генерирующими электрический ток или импульс в ответ на соответствующий раздражитель или группу раздражителей: свет, ИК-излучение, запах (как химический сигнал). Все вещества, пригодные для этих целей, хорошо известны, а технологии их нанесения весьма однотипны и легко поддаются методам 3D печати.
Задача поиска еды, дороги, ну или цели, маршрута следования. Решается, как и предыдущая задача, за счет управления ИМВ импульсами в ответ на те или иные раздражители или их комбинацию.
Задача обучения имеет ограниченное решение, и здесь в первую очередь понимается как выполнение ранее найденных алгоритмов под похожие задачи без нескольких попыток действия. На первом этапе она легко может быть решена за счет инициирования протекания необратимых химических реакций в связке ИНВ и химических сенсорных датчиков.
Задача передачи обучения – два шага для создания роевого интеллекта. Такая передача возможна только на коротком расстоянии, но это расстояние может быть существенно расширено простейшими электронными чипами-передатчиками и чипами-приемниками. Задача может быть реализована аналогично предыдущей – инициированием протекания необратимых или самопроизвольно необратимых химических реакций за счет инициирования электрическим импульсом от одного устройства к другому или от внешнего управляющего источника.
Рассмотренные решения никак не отменяют биотехнологические достижения в выращивании полного аналога мозга (в части живых нейронов) и достижения микроэлектроники, но дают возможность решить ряд проблем массово, эффективно и недорого уже сейчас и дополняют известный набор решений, который может быть использован для создания роботов нового поколения.
Часть шестая. Создание нервных центров и микромозга – замена микроконтроллерам управления системой ИМВ
Продолжение. Начало цикла здесь.
«Глуп как еж» - может быть, еж и глуп (среди млекопитающих), но вот у насекомых мозг и того меньше. Собственно, это микромозг или нервные центры – своего рода аналоги простейших электронных микроконтроллеров, обеспечивающих адекватное взаимодействие насекомых с окружающей средой. Для очень большого числа практических задач вовсе необязательно наделять зооморфного робота электронным аналогом мозга: можно во многом вовсе обойтись без электроники, заменив ее на искусственные нервные центры и аналоги микромозга.
Количество нейронов в мозге насекомых различается: у обыкновенной плодовой мушки – 100 000 нейронов, а у медоносной пчелы — 1 миллион нейронов (для сравнения, в человеческом мозге около 86 миллиардов нейронов).
Впрочем, если совсем уж копировать работу микромозга насекомого, это может начать противоречить массовости. Поэтому, несмотря на результативные попытки создания биологического искусственного мозга рядом исследовательских групп, рассмотрим иные подходы, начав с формулировки элементарных задач для насекомого и подбора аналогов для робота, попутно предлагая варианты реализации.
Задача действия для насекомых – это, например, добыть еду, защитить муравейник, а для зооморфного робота – поразить уже найденную цель, сбросить доставляемый груз. Такая задача может быть легко решена за счет управления ИМВ с помощью ИНВ, модифицированных тем или иным сенсором, например веществами, генерирующими электрический ток или импульс в ответ на соответствующий раздражитель или группу раздражителей: свет, ИК-излучение, запах (как химический сигнал). Все вещества, пригодные для этих целей, хорошо известны, а технологии их нанесения весьма однотипны и легко поддаются методам 3D печати.
Задача поиска еды, дороги, ну или цели, маршрута следования. Решается, как и предыдущая задача, за счет управления ИМВ импульсами в ответ на те или иные раздражители или их комбинацию.
Задача обучения имеет ограниченное решение, и здесь в первую очередь понимается как выполнение ранее найденных алгоритмов под похожие задачи без нескольких попыток действия. На первом этапе она легко может быть решена за счет инициирования протекания необратимых химических реакций в связке ИНВ и химических сенсорных датчиков.
Задача передачи обучения – два шага для создания роевого интеллекта. Такая передача возможна только на коротком расстоянии, но это расстояние может быть существенно расширено простейшими электронными чипами-передатчиками и чипами-приемниками. Задача может быть реализована аналогично предыдущей – инициированием протекания необратимых или самопроизвольно необратимых химических реакций за счет инициирования электрическим импульсом от одного устройства к другому или от внешнего управляющего источника.
Интеллект роя (или роевой интеллект) – это направление искусственного интеллекта, вдохновлённое коллективным поведением в природе, например, у муравьёв, пчёл или стай птиц. Вместо одного лидера множество простых агентов взаимодействуют между собой и с окружающей средой, чтобы вместе решать сложные задачи, например, находить оптимальные маршруты или быстро обучать модели.
Такие системы децентрализованы, легко масштабируются и часто используются для оптимизации, робототехники и компьютерного зрения. Пример из жизни – световые шоу дронов, где каждый дрон действует по простым правилам, но вместе они создают сложные фигуры.
Рассмотренные решения никак не отменяют биотехнологические достижения в выращивании полного аналога мозга (в части живых нейронов) и достижения микроэлектроники, но дают возможность решить ряд проблем массово, эффективно и недорого уже сейчас и дополняют известный набор решений, который может быть использован для создания роботов нового поколения.
# Искусственные мышечные волокна: от сложного к простому, области их применения
Часть седьмая. Создание киборга из человека
От хорошей жизни, конечно, киборгами не становятся, но когда человек утрачивает части тела, перспектива их замены на искусственно созданные является поистине спасительной.
О возможности создания бионических конечностей с ИМВ химического типа мы уже упоминали, поэтому не будем повторяться. Химические ИМВ, при решении проблемы их совместимости, перспективны и интересны для создания некоторых внутренних органов, если не целиком, то хотя бы их частей. Например, в патенте RU (11) 2 675 062(13) C1 сообщается о создании искусственной сердечной мышцы или, все же, вернее, ее элемента. Не будем давать оценку реализуемости этого патента с учетом выбранных материалов, их совместимости и достаточности энергетических показателей системы «живое сердце/искусственный элемент», но описываемый в патенте подход вполне жизнеспособен и выглядит наиболее реалистичным среди более чем трех десятков наиболее известных работ, опубликованных в рецензируемых научных изданиях. По аналогичному методу, но с использованием ИМВ, способных черпать энергию из химической реакции окисления сахаров, уже на современном уровне технологий, вероятно, вполне возможно создание как сердца целиком (наиболее простая задача), так и других органов, в частности органов ЖКТ, создание которых будет хоть и значительно сложнее (потребуется решить еще ряд вопросов, не связанных с ИМВ и управлением ими, в частности, вопроса селективных мембран), но все же возможно.
К сожалению, в рамках ТГ-канала не представляется целесообразным раскрытие значимой информации, однако такая информация может быть предоставлена заинтересованным лицам в установленном порядке.
Часть седьмая. Создание киборга из человека
От хорошей жизни, конечно, киборгами не становятся, но когда человек утрачивает части тела, перспектива их замены на искусственно созданные является поистине спасительной.
О возможности создания бионических конечностей с ИМВ химического типа мы уже упоминали, поэтому не будем повторяться. Химические ИМВ, при решении проблемы их совместимости, перспективны и интересны для создания некоторых внутренних органов, если не целиком, то хотя бы их частей. Например, в патенте RU (11) 2 675 062(13) C1 сообщается о создании искусственной сердечной мышцы или, все же, вернее, ее элемента. Не будем давать оценку реализуемости этого патента с учетом выбранных материалов, их совместимости и достаточности энергетических показателей системы «живое сердце/искусственный элемент», но описываемый в патенте подход вполне жизнеспособен и выглядит наиболее реалистичным среди более чем трех десятков наиболее известных работ, опубликованных в рецензируемых научных изданиях. По аналогичному методу, но с использованием ИМВ, способных черпать энергию из химической реакции окисления сахаров, уже на современном уровне технологий, вероятно, вполне возможно создание как сердца целиком (наиболее простая задача), так и других органов, в частности органов ЖКТ, создание которых будет хоть и значительно сложнее (потребуется решить еще ряд вопросов, не связанных с ИМВ и управлением ими, в частности, вопроса селективных мембран), но все же возможно.
К сожалению, в рамках ТГ-канала не представляется целесообразным раскрытие значимой информации, однако такая информация может быть предоставлена заинтересованным лицам в установленном порядке.
# Искусственные мышечные волокна: от сложного к простому, области их применения
Часть восьмая. На пути к созданию «терминатора»
Создать робота типа Терминатора – задача, которая уже не выглядит чистой фантастикой и, по сути, не так далека от полной реализации. Уже сегодня роботы превосходят человека по силе, скорости и точности: Atlas от Boston Dynamics делает сальто, Tesla Optimus учится манипулировать предметами, а Unitree H1 бегает быстрее людей и поднимается по лестницам. Создаются (например, в США) гуманоидные боевые роботы, способные выполнять сложные задачи с минимальным участием человека. Уже сейчас роботы могут (пусть и со множеством допущений) создавать себе подобных. Например, американская компания Figure представила завод, где человекоподобные роботы будут собирать себе подобных. Впрочем, человекоподобные роботы трудятся на заводах не только в США, но и в Китае, вполне себе заменяя людей.
Основные проблемы в создании настоящего «терминатора» связаны только с двумя аспектами: проблемой создания сильного искусственного интеллекта, похожего на человеческий (интеллект AGI), и источником энергии. Первая задача, несмотря на то, что роботы вполне уже могут общаться, может быть решена более простым путем: внешним подключением к суперкомпьютеру и нейросети через волновой канал связи. Вторая проблема, дающая вполне себе достаточную автономию, – это создание робота с анатомией человека и применением в качестве движителей ИМВ химического типа, способных использовать энергию химической реакции окисления, например, сахаров, обеспечивающую автономность робота до нескольких суток.
Очевидно, что в ближайшие годы человекоподобные роботы найдут свое применение в промышленности, на складах и в быту. А вот до настоящих киборгов придется еще подождать, с учетом существующих темпов развития, лет 15-20. Но будущее, как и всегда, ближе, чем кажется.
Часть восьмая. На пути к созданию «терминатора»
Создать робота типа Терминатора – задача, которая уже не выглядит чистой фантастикой и, по сути, не так далека от полной реализации. Уже сегодня роботы превосходят человека по силе, скорости и точности: Atlas от Boston Dynamics делает сальто, Tesla Optimus учится манипулировать предметами, а Unitree H1 бегает быстрее людей и поднимается по лестницам. Создаются (например, в США) гуманоидные боевые роботы, способные выполнять сложные задачи с минимальным участием человека. Уже сейчас роботы могут (пусть и со множеством допущений) создавать себе подобных. Например, американская компания Figure представила завод, где человекоподобные роботы будут собирать себе подобных. Впрочем, человекоподобные роботы трудятся на заводах не только в США, но и в Китае, вполне себе заменяя людей.
Основные проблемы в создании настоящего «терминатора» связаны только с двумя аспектами: проблемой создания сильного искусственного интеллекта, похожего на человеческий (интеллект AGI), и источником энергии. Первая задача, несмотря на то, что роботы вполне уже могут общаться, может быть решена более простым путем: внешним подключением к суперкомпьютеру и нейросети через волновой канал связи. Вторая проблема, дающая вполне себе достаточную автономию, – это создание робота с анатомией человека и применением в качестве движителей ИМВ химического типа, способных использовать энергию химической реакции окисления, например, сахаров, обеспечивающую автономность робота до нескольких суток.
Очевидно, что в ближайшие годы человекоподобные роботы найдут свое применение в промышленности, на складах и в быту. А вот до настоящих киборгов придется еще подождать, с учетом существующих темпов развития, лет 15-20. Но будущее, как и всегда, ближе, чем кажется.
Небольшое дополнение к предыдущей публикации. Робот Berkeley Humanoid Lite далеко не терминатор, но зато его изготовление под силу многим самостоятельно, был бы 3D принтер. Вот ссылки на код и CAD модели, а вот описание. Этого робота можно модернизировать с помощью ИМВ, сделанными самостоятельно и – добро пожаловать в будущее!
P.S.
Вот ссылки (Чертежи и описания и еще вот), на тот случай, если кому нужны собаки (роботы).
P.S.
Вот ссылки (Чертежи и описания и еще вот), на тот случай, если кому нужны собаки (роботы).
# Ожижение углей: получение моторного топлива
Часть первая: ожижение углей «методом Юткина»
В России несколько лет назад была очень популярна тема ожижения углей. Впрочем, эта тема, хоть и утратила часть популярности, но все же остается вполне востребованной. Правда, востребованность темы так и остается на уровне запросов, но не имеет шансов на реализацию по вполне объективным техническим причинам, которые не учли отечественные разработчики и, вероятно, упорно не желают учитывать. Эта публикация посвящена технологиям ожижения угля «методом Юткина» и технологиям, которые применяются в промышленности для получения моторных топлив.
Ожижение углей искровым разрядом, или ожижение по «методу Юткина» (взято в кавычки, потому как, кроме принципиальной укрупненной схемы разрядника, известной еще до Л.А. Юткина, последний имеет отношение к этой тематике лишь опосредованное, что никак не умаляет его заслуг и таланта ученого), началось задолго до подобных публикаций с работы Института Сильноточной Электроники СО РАН, по результатам которой в 2009г был получен патент. Описание патента выглядит вполне адекватным законам физики, и его работоспособность не вызывает сомнения, как и сам факт реализации (см. фото ныне разобранной стендовой установки от ИСЭ СО РАН).
Хронологически следующим был патент RU (11) 2 630 687, выданный в 2017г., который уже вызывает сомнения в части заявленной эффективности, противоречащей энергетическому балансу. Но по своей сути патентуемого метода патент, вероятно, все же реализуем. За время, начиная с 2009г., в России были неоднократные попытки создания промышленной технологии ожижения угля методом активации процесса ожижения электрическим разрядом. Данные попытки имели попеременный успех: от вполне проработанных решений (например, одно из них) до решений сырых, нереализуемых, и решений ради продолжения финансирования проекта инвестором.
Собственно, ответ на вопрос, почему столь многообещающий и простой метод не получил распространения и не увидел промышленного применения по производству моторных топлив, будет следующим:
•Для получения не только углеводородов, но, как и требуют топливные стандарты, смеси углеводородов, необходимы большие энергетические затраты, что снижает экономическую привлекательность способа.
•Проблема износа разрядных электродов.
•Проблема стойкости элементной базы для создания нужного электрического импульса для разряда.
И если первые две проблемы, по крайней мере авторам канала, удалось решить, то проблема стойкости элементной базы остаётся нерешаемой экономически приемлемым способом. Иными словами, технически решение возможно, но стоимость такого решения делает его реализацию экономически нецелесообразной, а значит, технологии ожижения электроискровым методом следует признать нереализуемыми в промышленности на данном этапе развития коммерчески доступной элементной базы.
Конец первой части.
Во второй части публикации будут рассмотрены существующие промышленные технологии получения моторных топлив и пути их совершенствования.
Часть первая: ожижение углей «методом Юткина»
В России несколько лет назад была очень популярна тема ожижения углей. Впрочем, эта тема, хоть и утратила часть популярности, но все же остается вполне востребованной. Правда, востребованность темы так и остается на уровне запросов, но не имеет шансов на реализацию по вполне объективным техническим причинам, которые не учли отечественные разработчики и, вероятно, упорно не желают учитывать. Эта публикация посвящена технологиям ожижения угля «методом Юткина» и технологиям, которые применяются в промышленности для получения моторных топлив.
Ожижение углей искровым разрядом, или ожижение по «методу Юткина» (взято в кавычки, потому как, кроме принципиальной укрупненной схемы разрядника, известной еще до Л.А. Юткина, последний имеет отношение к этой тематике лишь опосредованное, что никак не умаляет его заслуг и таланта ученого), началось задолго до подобных публикаций с работы Института Сильноточной Электроники СО РАН, по результатам которой в 2009г был получен патент. Описание патента выглядит вполне адекватным законам физики, и его работоспособность не вызывает сомнения, как и сам факт реализации (см. фото ныне разобранной стендовой установки от ИСЭ СО РАН).
Хронологически следующим был патент RU (11) 2 630 687, выданный в 2017г., который уже вызывает сомнения в части заявленной эффективности, противоречащей энергетическому балансу. Но по своей сути патентуемого метода патент, вероятно, все же реализуем. За время, начиная с 2009г., в России были неоднократные попытки создания промышленной технологии ожижения угля методом активации процесса ожижения электрическим разрядом. Данные попытки имели попеременный успех: от вполне проработанных решений (например, одно из них) до решений сырых, нереализуемых, и решений ради продолжения финансирования проекта инвестором.
Собственно, ответ на вопрос, почему столь многообещающий и простой метод не получил распространения и не увидел промышленного применения по производству моторных топлив, будет следующим:
•Для получения не только углеводородов, но, как и требуют топливные стандарты, смеси углеводородов, необходимы большие энергетические затраты, что снижает экономическую привлекательность способа.
•Проблема износа разрядных электродов.
•Проблема стойкости элементной базы для создания нужного электрического импульса для разряда.
И если первые две проблемы, по крайней мере авторам канала, удалось решить, то проблема стойкости элементной базы остаётся нерешаемой экономически приемлемым способом. Иными словами, технически решение возможно, но стоимость такого решения делает его реализацию экономически нецелесообразной, а значит, технологии ожижения электроискровым методом следует признать нереализуемыми в промышленности на данном этапе развития коммерчески доступной элементной базы.
Конец первой части.
Во второй части публикации будут рассмотрены существующие промышленные технологии получения моторных топлив и пути их совершенствования.
# Ожижение углей: получение моторного топлива
Часть вторая: ожижения углей – промышленные способы
В первой части публикации рассматривался самый популярный в последние годы в рунете метод ожижения углей и давалось объяснение, почему он если и будет реализован, то еще очень не скоро. Тема этой части публикации - технологии, которые применяются в промышленности для получения моторных топлив и пути их совершенствования.
Среди множества известных технологий, по существу только две технологии являются промышленно применимыми. Технологии быстрого пиролиза с последующим гидрирование продуктов пиролиза, вполне имеют право быть, но они не позволяют достичь требуемой полноты конверсии (образуется углеродный кокс), либо являются составной частью общей технологии, включающую технологий гидрогенизации. Поэтому здесь рассмотрим только самостоятельные технологии, сами по себе позволяющие получит моторное топливо из угля и это технологии прямого гидрирования и технология «уголь-газ-жидкость» включающая технология синтеза по реакции Фишера-Тропша.
Гидрирование угля, этот промышленный способ впервые был осуществлен в Германии, известный как процесс Бергиуса. Его суть в прямом ожижении угля за счет его гидрирования в форме суспензии в тяжелых оборотных маслах. Существенный вклад в стоимость реализации проекта вносил этап получения водорода, который осуществлялся путем газификации углерода в реакторе с кипящим слоем Винклера. Непосредственно сам процесс гидрогенизации, особенно с использованием современных катализаторов, показывает очень хорошую эффективность с выходом около 50% ДТ и около 25% бензина от массы усредненного угля (если говорить о конверсии органической части – свыше 90%). Однако, расход угля на получение водорода существенно снижает его эффективность и приводит к удорожанию процесса, чем и объясняется неконкурентоспособность классического процесса в условиях существования недорогой и доступной нефти. Рассматривая процесс гидрирования угля, хотелось бы упомянуть патент компании Тойота (Япония) в котором описывается ожижение биомассы с получением топливных фракций. Патент вполне реализуем и может быть положен в основу создания родственных технологий (что в свое время мы подтвердили серией экспериментов), но его значительным недостатком является дороговизна оборудования для его промышленной реализации.
Технология «уголь-газ-жидкость». Эта технология также была впервые применена в Германии и известна как процесс Фишера-Тропша (Ф-Т). Сейчас существует большое количество вариаций этого процесса, позволяющее получать высококачественные топлива и масла. Если говорить о выходе топлив непосредственно в самом процессе наподобие процесса Ф-Т, то он может составлять до 80-90% от теоретического, а среди продуктов примерно 80% ДТ и 20% бензина. Однако, применительно к углям, главным ограничением является экономически эффективный способ получения качественного синтез-газа. Следовательно, ключевым вопросом будет эффективное решение получения качественного синтез-газа. Существует несколько решений задачи экономически эффективного получения синтез-газа требуемого состава. Наиболее новой и перспективной является технология электрохимического синтеза, о которой будет отдельная публикация. Суть технологии состоит в окислении угля на топливном элементе, с получением электроэнергии и монооксида углерода. Электроэнергия расходуется на гидролиз воды с целью получения второго недостающего компонента синтез-газа – водорода. Выделяемый в процессе электролиза кислород направляется на топливный элемент для окисления угля, выработки монооксида углерода и электроэнергии.
Часть вторая: ожижения углей – промышленные способы
В первой части публикации рассматривался самый популярный в последние годы в рунете метод ожижения углей и давалось объяснение, почему он если и будет реализован, то еще очень не скоро. Тема этой части публикации - технологии, которые применяются в промышленности для получения моторных топлив и пути их совершенствования.
Среди множества известных технологий, по существу только две технологии являются промышленно применимыми. Технологии быстрого пиролиза с последующим гидрирование продуктов пиролиза, вполне имеют право быть, но они не позволяют достичь требуемой полноты конверсии (образуется углеродный кокс), либо являются составной частью общей технологии, включающую технологий гидрогенизации. Поэтому здесь рассмотрим только самостоятельные технологии, сами по себе позволяющие получит моторное топливо из угля и это технологии прямого гидрирования и технология «уголь-газ-жидкость» включающая технология синтеза по реакции Фишера-Тропша.
Гидрирование угля, этот промышленный способ впервые был осуществлен в Германии, известный как процесс Бергиуса. Его суть в прямом ожижении угля за счет его гидрирования в форме суспензии в тяжелых оборотных маслах. Существенный вклад в стоимость реализации проекта вносил этап получения водорода, который осуществлялся путем газификации углерода в реакторе с кипящим слоем Винклера. Непосредственно сам процесс гидрогенизации, особенно с использованием современных катализаторов, показывает очень хорошую эффективность с выходом около 50% ДТ и около 25% бензина от массы усредненного угля (если говорить о конверсии органической части – свыше 90%). Однако, расход угля на получение водорода существенно снижает его эффективность и приводит к удорожанию процесса, чем и объясняется неконкурентоспособность классического процесса в условиях существования недорогой и доступной нефти. Рассматривая процесс гидрирования угля, хотелось бы упомянуть патент компании Тойота (Япония) в котором описывается ожижение биомассы с получением топливных фракций. Патент вполне реализуем и может быть положен в основу создания родственных технологий (что в свое время мы подтвердили серией экспериментов), но его значительным недостатком является дороговизна оборудования для его промышленной реализации.
Технология «уголь-газ-жидкость». Эта технология также была впервые применена в Германии и известна как процесс Фишера-Тропша (Ф-Т). Сейчас существует большое количество вариаций этого процесса, позволяющее получать высококачественные топлива и масла. Если говорить о выходе топлив непосредственно в самом процессе наподобие процесса Ф-Т, то он может составлять до 80-90% от теоретического, а среди продуктов примерно 80% ДТ и 20% бензина. Однако, применительно к углям, главным ограничением является экономически эффективный способ получения качественного синтез-газа. Следовательно, ключевым вопросом будет эффективное решение получения качественного синтез-газа. Существует несколько решений задачи экономически эффективного получения синтез-газа требуемого состава. Наиболее новой и перспективной является технология электрохимического синтеза, о которой будет отдельная публикация. Суть технологии состоит в окислении угля на топливном элементе, с получением электроэнергии и монооксида углерода. Электроэнергия расходуется на гидролиз воды с целью получения второго недостающего компонента синтез-газа – водорода. Выделяемый в процессе электролиза кислород направляется на топливный элемент для окисления угля, выработки монооксида углерода и электроэнергии.
Если говорить о процессе получения топлива из угля, то кроме собственно технологии ожижения угля, необходима реализация ряда вспомогательных технологий: в частности утилизации выделяемых соединений серы, например, в форме товарной серной кислоты (электрохимическая технология), очистки рецикла ВСГ, переработка золы с извлечением РЗМ и металлов платиновой подгруппы, а также другие технологии, обеспечивающее экономическую эффективность переработки углей (на фото - установки, которые использовались нами при отработке подобных технологий).
Исходя из изложенного, можно резюмировать, что производство моторного топлива из угля возможно экологически приемлемым способом, но используемые технологии не являются простыми и вряд ли пригодны для портативных малых и сверхмалых установок для мини-, и микро- НПЗ.
Исходя из изложенного, можно резюмировать, что производство моторного топлива из угля возможно экологически приемлемым способом, но используемые технологии не являются простыми и вряд ли пригодны для портативных малых и сверхмалых установок для мини-, и микро- НПЗ.
Виброизоляторы (амортизаторы) для защиты технических средств: от резинометаллических до тросовых и композитных. Перспективы развития.
Рассматриваемый класс виброизоляторов, вернее виброудароизоляторов, — это устройства, способные снижать воздействие ударов и вибрации. Они применяются в двух случаях: когда нужно изолировать источник вибрации (двигатель вентилятора, насос, работающий станок или иное оборудование) и когда нужно защитить от вибрации и ударов, например, стойки с РЭА, различные приборы и измерительное оборудование, приборы точной механики и другие защищаемые технические средства.
Первыми нашли применение резинометаллические виброизоляторы — недорогие и доступные. Немного позже появились виброизоляторы, где рабочим элементом была спрессованная металлическая вата из спутанной нержавеющей проволоки, и, наконец, позже появились тросовые цельнометаллические виброизоляторы. Общепринятое устоявшееся на сегодня мнение, которое не так далеко от истины, что резинометаллические виброизоляторы — это доступное и недорогое, но не самое эффективное решение, в то время как тросовые виброизоляторы — это более дорогие, но наиболее совершенные решения. Однако с учетом успехов материаловедения, сделавшего коммерчески доступными ряд материалов, ситуация меняется, а развитие каждого из типов виброизоляторов и появление новых делает приведенное выше утверждение уже не таким верным. Данная публикация посвящена типам виброизоляторов, их сравнению, перспективам развития, применения и современным разработкам. Она является своего рода введением к циклу публикаций, где рассматриваемые вопросы будут разобраны подробнее.
Если говорить о предельных характеристиках трех наиболее распространённых типов виброизоляторов, то они примерно равны между собой, т.е. сейчас принципиально возможно создать виброизолятор любого типа с очень высокими характеристиками. Но массовое их производство подразумевает их умеренную стоимость, а значит, многие принципиально возможные решения не могут быть использованы из-за цены, поэтому относительно верным будет сравнение серийных изделий приведенных в таблице ниже, хотя уже сейчас здесь есть исключения.
Рассматриваемый класс виброизоляторов, вернее виброудароизоляторов, — это устройства, способные снижать воздействие ударов и вибрации. Они применяются в двух случаях: когда нужно изолировать источник вибрации (двигатель вентилятора, насос, работающий станок или иное оборудование) и когда нужно защитить от вибрации и ударов, например, стойки с РЭА, различные приборы и измерительное оборудование, приборы точной механики и другие защищаемые технические средства.
Первыми нашли применение резинометаллические виброизоляторы — недорогие и доступные. Немного позже появились виброизоляторы, где рабочим элементом была спрессованная металлическая вата из спутанной нержавеющей проволоки, и, наконец, позже появились тросовые цельнометаллические виброизоляторы. Общепринятое устоявшееся на сегодня мнение, которое не так далеко от истины, что резинометаллические виброизоляторы — это доступное и недорогое, но не самое эффективное решение, в то время как тросовые виброизоляторы — это более дорогие, но наиболее совершенные решения. Однако с учетом успехов материаловедения, сделавшего коммерчески доступными ряд материалов, ситуация меняется, а развитие каждого из типов виброизоляторов и появление новых делает приведенное выше утверждение уже не таким верным. Данная публикация посвящена типам виброизоляторов, их сравнению, перспективам развития, применения и современным разработкам. Она является своего рода введением к циклу публикаций, где рассматриваемые вопросы будут разобраны подробнее.
Если говорить о предельных характеристиках трех наиболее распространённых типов виброизоляторов, то они примерно равны между собой, т.е. сейчас принципиально возможно создать виброизолятор любого типа с очень высокими характеристиками. Но массовое их производство подразумевает их умеренную стоимость, а значит, многие принципиально возможные решения не могут быть использованы из-за цены, поэтому относительно верным будет сравнение серийных изделий приведенных в таблице ниже, хотя уже сейчас здесь есть исключения.