Sztuczny mięsień - Artificial muscle
Sztuczne mięśni , znane również jako mięsień -jak siłowników , są materiałami lub urządzeniami, które naśladują naturalne mięśni i mogą zmieniać sztywność odwracalnie zamówienia, rozszerzają się lub obracać się w jednym składniku ze względu na bodziec zewnętrzny (takie jak napięcie, prąd, ciśnienie i temperaturę ). Trzy podstawowe reakcje na uruchamianie – kurczenie, rozszerzanie i obracanie mogą być połączone w jednym komponencie, aby wytworzyć inne rodzaje ruchów (np. zginanie, poprzez kurczenie jednej strony materiału przy jednoczesnym rozszerzaniu drugiej strony). Konwencjonalne silniki i pneumatyczne siłowniki liniowe lub obrotowe nie kwalifikują się jako sztuczne mięśnie, ponieważ w uruchamianie zaangażowanych jest więcej niż jeden element.
Dzięki swojej wysokiej elastyczności, wszechstronności i stosunkowi mocy do masy w porównaniu z tradycyjnymi sztywnymi siłownikami, sztuczne mięśnie mają potencjał, aby stać się wysoce przełomową nową technologią . Choć obecnie stosowana w ograniczonym zakresie, technologia ta może mieć szerokie przyszłe zastosowania w przemyśle, medycynie, robotyce i wielu innych dziedzinach.
Porównanie z naturalnymi mięśniami
Chociaż nie ma ogólnej teorii, która pozwalałaby na porównanie siłowników, istnieją „kryteria mocy” dla technologii sztucznych mięśni, które pozwalają na określenie nowych technologii siłowników w porównaniu z naturalnymi właściwościami mięśni. Podsumowując, kryteria obejmują naprężenie , odkształcenie , szybkość odkształcenia , cykl życia i moduł sprężystości . Niektórzy autorzy brali pod uwagę inne kryteria (Huber et al., 1997), takie jak gęstość siłowników i rozdzielczość naprężeń. Od 2014 r. najpotężniejsze istniejące sztuczne włókna mięśniowe mogą zaoferować stukrotny wzrost mocy w porównaniu z równoważnymi długościami naturalnych włókien mięśniowych.
Naukowcy mierzą szybkość, gęstość energii , moc i wydajność sztucznych mięśni; żaden rodzaj sztucznych mięśni nie jest najlepszy we wszystkich dziedzinach.
Rodzaje
Sztuczne mięśnie można podzielić na trzy główne grupy ze względu na mechanizm ich działania.
Aktywacja pola elektrycznego
Polimery elektroaktywne (EAP) to polimery, które mogą być uruchamiane przez zastosowanie pól elektrycznych. Aktualnie, znane EAP to siłowniki piezoelektryczne polimery dielektryczne (oncepcje) elektrostrykcyjnego szczepione elastomery , ciekłe krystaliczne elastomery (lce) i polimery ferroelektryczne. Chociaż te EAP można zginać, ich niska zdolność do przenoszenia momentu obrotowego ogranicza obecnie ich przydatność jako sztucznych mięśni. Co więcej, bez przyjętego standardowego materiału do tworzenia urządzeń EAP komercjalizacja pozostawała niepraktyczna. Jednak od lat 90. dokonano znacznego postępu w technologii EAP.
Uruchamianie jonowe
EAP jonowe to polimery, które mogą być aktywowane poprzez dyfuzję jonów w roztworze elektrolitu (oprócz zastosowania pól elektrycznych). Aktualne przykłady jonowych polimerów elektroaktywnych obejmują żele polielektrodowe, jonomeryczne polimerowe kompozyty metaliczne (IPMC), polimery przewodzące i płyny elektroreologiczne (ERF). W 2011 r. wykazano, że skręcone nanorurki węglowe można również uruchomić za pomocą pola elektrycznego.
Uruchamianie pneumatyczne
Sztuczne mięśnie pneumatyczne (PAM) działają poprzez napełnianie pneumatycznego pęcherza sprężonym powietrzem. Po przyłożeniu ciśnienia gazu do pęcherza następuje izotropowe zwiększenie objętości, ale jest ono ograniczone przez plecione druty, które otaczają pęcherz, przekształcając zwiększenie objętości w liniowy skurcz wzdłuż osi siłownika. PAM można sklasyfikować według ich działania i konstrukcji; mianowicie, PAMs charakteryzują się działaniem pneumatycznym lub hydraulicznym, działaniem nadciśnienia lub podciśnienia, membranami plecionymi/sieciowanymi lub osadzonymi oraz membranami rozciągającymi lub przestawiającymi membrany. Wśród najczęściej używanych obecnie PAM jest cylindrycznie pleciony mięsień znany jako mięsień McKibben, który został po raz pierwszy opracowany przez JL McKibbena w latach 50. XX wieku.
Aktywacja termiczna
Żyłka wędkarska
Sztuczne mięśnie zbudowane ze zwykłej żyłki wędkarskiej i nici do szycia mogą unieść 100 razy więcej ciężaru i wygenerować 100 razy więcej mocy niż ludzki mięsień o tej samej długości i wadze.
Sztuczne mięśnie oparte na żyłce wędkarskiej już kosztują o rząd wielkości mniej (na funt) niż stop z pamięcią kształtu lub przędza z nanorurek węglowych; ale obecnie mają stosunkowo słabą wydajność.
Poszczególne makrocząsteczki są wyrównane z włóknem w dostępnych na rynku włóknach polimerowych . Nawijając je w zwoje, naukowcy wytwarzają sztuczne mięśnie, które kurczą się z prędkością zbliżoną do ludzkich mięśni.
(Nieskręcone) włókno polimerowe, takie jak żyłka polietylenowa lub nylonowa nić do szycia, w przeciwieństwie do większości materiałów, skraca się po podgrzaniu — do około 4% przy wzroście temperatury o 250 K. Skręcając włókno i zwijając skręcone włókno w cewkę, podgrzewanie powoduje zaciśnięcie i skrócenie cewki nawet o 49%. Naukowcy znaleźli inny sposób nawijania cewki, tak aby ogrzewanie powodowało wydłużenie cewki o 69%.
Jednym z zastosowań termicznie aktywowanych sztucznych mięśni jest automatyczne otwieranie i zamykanie okien, reagujące na temperaturę bez użycia energii.
Maleńkie sztuczne mięśnie złożone ze skręconych nanorurek węglowych wypełnionych parafiną są 200 razy silniejsze od mięśni ludzkich.
Stopy z pamięcią kształtu
Stopy z pamięcią kształtu (SMA), ciekłokrystaliczne elastomery i stopy metali, które mogą być odkształcane, a następnie przywracane do pierwotnego kształtu po wystawieniu na działanie ciepła, mogą działać jako sztuczne mięśnie. Sztuczne mięśnie oparte na siłownikach termicznych zapewniają odporność na ciepło, odporność na uderzenia, niską gęstość, wysoką wytrzymałość zmęczeniową i duże generowanie siły podczas zmiany kształtu. W 2012 r. zademonstrowano nową klasę aktywowanych polem elektrycznym sztucznych mięśni pozbawionych elektrolitów, zwanych „aktorami skręconej przędzy”, w oparciu o rozszerzalność cieplną materiału wtórnego w przewodzącej skręconej strukturze mięśnia. Wykazano również, że zwinięta wstęga dwutlenku wanadu może skręcać się i odkręcać przy szczytowej prędkości skręcania wynoszącej 200 000 obr./min.
Systemy kontrolne
Trzy rodzaje sztucznych mięśni mają różne ograniczenia, które wpływają na rodzaj systemu sterowania, którego wymagają do uruchomienia. Należy jednak zauważyć, że systemy sterowania są często projektowane tak, aby spełniały specyfikacje danego eksperymentu, a niektóre eksperymenty wymagają łącznego użycia różnych elementów wykonawczych lub hybrydowego schematu sterowania. Jako takie, poniższych przykładów nie należy traktować jako wyczerpującej listy różnych systemów sterowania, które można zastosować do pobudzenia danego sztucznego mięśnia.
Kontrola EAP
Polimery elektroaktywne (EAP) oferują mniejszą wagę, szybszą reakcję, wyższą gęstość mocy i cichszą pracę w porównaniu z tradycyjnymi siłownikami. Zarówno elektryczne, jak i jonowe EAP są uruchamiane głównie za pomocą pętli sterowania ze sprzężeniem zwrotnym, lepiej znanych jako systemy sterowania w pętli zamkniętej.
Sterowanie pneumatyczne
Obecnie istnieją dwa rodzaje sztucznych mięśni pneumatycznych (PAM). Pierwszy typ ma pojedynczą dętkę otoczoną plecionym rękawem, a drugi typ ma podwójną dętkę.
Pojedynczy pęcherz otoczony plecionym rękawem
Pneumatyczne sztuczne mięśnie, choć lekkie i niedrogie, stanowią szczególnie trudny problem z kontrolą, ponieważ są zarówno wysoce nieliniowe, jak i mają właściwości, takie jak temperatura, które ulegają znacznym wahaniom w czasie. PAMs zazwyczaj składają się z elementów gumowych i plastikowych. Ponieważ te części stykają się ze sobą podczas uruchamiania, temperatura PAM wzrasta, co ostatecznie prowadzi do trwałych zmian w strukturze sztucznego mięśnia w czasie. Ten problem doprowadził do różnych podejść eksperymentalnych. Podsumowując (dostarczone przez Ahn et al.), realne eksperymentalne systemy kontroli obejmują kontrolę PID, kontrolę adaptacyjną (Lilly, 2003), nieliniową optymalną kontrolę predykcyjną (Reynolds et al., 2003), kontrolę zmiennej struktury (Repperger et al., 1998 Medrano-Cerda i in., 1995, planowanie wzmocnienia (Repperger i in., 1999) oraz różne podejścia do obliczeń miękkich, w tym sterowanie algorytmem uczenia sieci neuronowej Kohonena (Hesselroth i in., 1994), sterowanie siecią neuronową/nieliniowym PID ( Ahn i Thanh, 2005) oraz kontrola neuro-rozmyta/genetyczna (Chan i in., 2003; Lilly i in., 2003).
Problemy sterowania dotyczące wysoce nieliniowych systemów były generalnie rozwiązywane poprzez podejście prób i błędów, za pomocą którego można było wydobyć „rozmyte modele” (Chan i in., 2003) możliwości behawioralnych systemu (na podstawie eksperymentalnych wyników konkretnego systemu testowane) przez doświadczonego eksperta. Jednak niektóre badania wykorzystywały „rzeczywiste dane” (Nelles O., 2000) do trenowania dokładności danego modelu rozmytego, jednocześnie unikając matematycznej złożoności poprzednich modeli. Eksperyment Ahn et al. jest po prostu jednym z przykładów ostatnich eksperymentów, które wykorzystują zmodyfikowane algorytmy genetyczne (MGA) do trenowania modeli rozmytych przy użyciu eksperymentalnych danych wejściowych i wyjściowych z ramienia robota PAM.
Podwójny pęcherz
Siłownik ten składa się z zewnętrznej membrany z wewnętrzną elastyczną membraną dzielącą wnętrze mięśnia na dwie części. Ścięgno jest przymocowane do błony i wychodzi z mięśnia przez rękaw, dzięki czemu ścięgno może się skurczyć do mięśnia. Rura wpuszcza powietrze do wewnętrznego pęcherza, które następnie rozwija się do zewnętrznego pęcherza. Kluczową zaletą tego typu mięśnia pneumatycznego jest brak potencjalnie tarcia pęcherza o zewnętrzny rękaw.
Kontrola termiczna
Sztuczne mięśnie SMA, choć lekkie i przydatne w zastosowaniach wymagających dużej siły i przemieszczenia, stwarzają również specyficzne wyzwania w zakresie kontroli; mianowicie sztuczne mięśnie SMA są ograniczone przez swoje histeryczne relacje wejścia-wyjścia i ograniczenia przepustowości. Jak Wen i in. omówimy, zjawisko transformacji fazowej SMA jest „histeretyczne”, ponieważ wynikowa nić wyjściowa SMA jest zależna od historii jej dopływu ciepła. Jeśli chodzi o ograniczenia szerokości pasma, dynamiczna odpowiedź siłownika SMA podczas histeretycznych przemian fazowych jest bardzo powolna ze względu na ilość czasu potrzebną do przeniesienia ciepła do sztucznego mięśnia SMA. Przeprowadzono bardzo niewiele badań dotyczących kontroli SMA ze względu na założenia, które traktują aplikacje SMA jako urządzenia statyczne; niemniej jednak przetestowano różne podejścia do kontroli w celu rozwiązania problemu kontroli nieliniowości histeretycznej.
Ogólnie rzecz biorąc, problem ten wymagał zastosowania kompensacji w pętli otwartej lub sterowania ze sprzężeniem zwrotnym w pętli zamkniętej. Jeśli chodzi o sterowanie w pętli otwartej , model Preisacha był często używany ze względu na swoją prostą strukturę i zdolność do łatwej symulacji i sterowania (Hughes i Wen, 1995). Jeśli chodzi o sterowanie w pętli zamkniętej , zastosowano podejście oparte na pasywności analizujące stabilność pętli zamkniętej SMA (Madill i Wen, 1994). Badanie Wen i wsp. stanowi kolejny przykład sterowania ze sprzężeniem zwrotnym w pętli zamkniętej, demonstrując stabilność sterowania w pętli zamkniętej w zastosowaniach SMA poprzez zastosowanie kombinacji sterowania ze sprzężeniem zwrotnym siły i sterowania położeniem na elastycznej aluminiowej belce uruchamianej przez SMA wykonane z Nitinol .
Kontrola chemiczna
Polimery chemomechaniczne zawierające grupy wrażliwe na pH lub służące jako selektywne miejsce rozpoznawania określonych związków chemicznych mogą służyć jako aktywatory lub czujniki. Odpowiednie żele pęcznieją lub kurczą się odwracalnie w odpowiedzi na takie sygnały chemiczne. Do polimerów tworzących żel można wprowadzić wiele różnych supramolekularnych pierwiastków rozpoznających , które mogą wiązać i wykorzystywać jako inicjator jony metali, różne aniony, aminokwasy, węglowodany itp. Niektóre z tych polimerów wykazują reakcję mechaniczną tylko wtedy, gdy zostaną zastosowane dwie różne chemikalia lub inicjatory. obecne, pełniąc tym samym funkcję bramek logicznych. Takie polimery chemomechaniczne dają nadzieję również na celowane dostarczanie leków . Polimery zawierające pierwiastki pochłaniające światło mogą służyć jako sztuczne mięśnie sterowane fotochemicznie.
Aplikacje
Technologie sztucznych mięśni mają szerokie potencjalne zastosowania w maszynach biomimetycznych , w tym robotach, siłownikach przemysłowych i zasilanych egzoszkieletach . Sztuczne mięśnie oparte na EAP oferują kombinację lekkości, niskiego zapotrzebowania na moc, sprężystości i zwinności do poruszania się i manipulacji. Przyszłe urządzenia EAP będą miały zastosowanie w lotnictwie, przemyśle motoryzacyjnym, medycynie, robotyce, mechanizmach przegubowych, rozrywce, animacji, zabawkach, odzieży, interfejsach dotykowych i dotykowych, kontroli hałasu, przetwornikach, generatorach mocy i konstrukcjach inteligentnych.
Sztuczne mięśnie pneumatyczne oferują również większą elastyczność, sterowność i lekkość w porównaniu do konwencjonalnych siłowników pneumatycznych. Większość aplikacji PAM wiąże się z wykorzystaniem mięśni typu McKibben. Siłowniki termiczne, takie jak SMA, mają różne zastosowania wojskowe, medyczne, bezpieczeństwa i robotyki, a ponadto mogą być wykorzystywane do generowania energii poprzez mechaniczne zmiany kształtu.