Dołącz do czytelników
Brak wyników

Laboratorium

11 maja 2021

NR 44 (Maj 2021)

Sztuczne mięśnie w naszej pracowni

29

W naszych wspólnych rozmyślaniach i pracach niejednokrotnie już zajmowaliśmy się tematyką sposobów poruszania się. Braliśmy pod uwagę mechanizmy ruchu i zjawiska z nimi 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 z reguły 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 element 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. Męśnie są po­łą­czone w odpowiedni sposób ze szkie­­­­­­­letem jako elementem nośnym (wew­nętrznym – u kręgowców, zewnętrznym np. u stawonogów Arthropoda), a 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, zarówno na podstawie ich budowy, jak i funkcji lub kształtu, to najbardziej podstawowym sposobem podziału wydaje się ten, w którym wyróżniane są trzy główne grupy:

POLECAMY

  • mięśnie gładkie,
  • mięśnie szkieletowe (poprzecznie prążkowane),
  • mięsień sercowy (poprzecznie prążkowany serca).

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, czyli 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, tj. struktur odwzorowujących przynajmniej pewne cechy mięśni 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.
 

Fot. 1. Sztuczny mięsień nylonowy

 

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

 

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

 

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


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

  • elastyczny wężyk, np. akwarystyczny (fot. 3A),
  • rozciągliwą rurkę, np. fragment podłużnego balonu (fot. 3B),
  • oplot na przewody (fot. 3C),
  • opaski zaciskowe (fot. 4D).

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).
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 powiększa się i vice versa (fot. 5).
Wszystkie elementy należy zestawić według schematu zamieszczonego na rys. 1. Elastyczną rurkę trzeba umieścić w oplocie, który musi zostać przycięty 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 szt...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 6 wydań czasopisma "Biologia w Szkole"
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych artykułów w wersji online
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy