Искусственные мышцы , также известные как мышцы -кака исполнительных механизмов , представляют собой материалы или устройства , которые имитируют натуральная мышца и может изменить их жесткости, обратимо контракт, расширяющей или вращает в течение одного компонента из - за внешний стимул (например, напряжения, ток, давления или температур ). [1] Три основных реакции срабатывания - сжатие, расширение и вращение могут быть объединены вместе в одном компоненте для создания других типов движений (например, изгиба, сжимая одну сторону материала при расширении другой стороны). Обычные двигатели и пневматические линейные или поворотные приводы не квалифицируются как искусственные мышцы, потому что в их приведении в действие участвует более одного компонента.
Благодаря своей высокой гибкости, универсальности и соотношению мощности к весу по сравнению с традиционными жесткими приводами, искусственные мышцы потенциально могут стать прорывной новой технологией . Хотя в настоящее время эта технология используется ограниченно, она может найти широкое применение в будущем в промышленности, медицине, робототехнике и многих других областях. [2] [3] [4]
Сравнение с натуральными мышцами
Хотя не существует общей теории, позволяющей сравнивать исполнительные механизмы, существуют «критерии мощности» для технологий искусственных мышц, которые позволяют специфицировать новые технологии исполнительных механизмов по сравнению с естественными мышечными свойствами. Таким образом, критерии включают напряжение , деформацию , скорость деформации , срок службы и модуль упругости . Некоторые авторы рассмотрели другие критерии (Huber et al., 1997), такие как плотность исполнительного механизма и разрешение деформации. [ необходима цитата ] По состоянию на 2014 год самые мощные из существующих искусственных мышечных волокон могут предложить стократное увеличение мощности по сравнению с натуральными мышечными волокнами эквивалентной длины. [5]
Исследователи измеряют скорость, плотность энергии , мощность и эффективность искусственных мышц; ни один тип искусственных мышц не является лучшим во всех областях. [6]
Типы
Искусственные мышцы можно разделить на три основные группы в зависимости от их исполнительного механизма. [1]
Срабатывание электрического поля
Электроактивные полимеры (EAP) - это полимеры, которые могут активироваться посредством приложения электрических полей. В настоящее время наиболее известными EAP являются пьезоэлектрические полимеры, диэлектрические исполнительные механизмы (DEA), электрострикционные привитые эластомеры , жидкокристаллические эластомеры (LCE) и сегнетоэлектрические полимеры. Хотя эти EAP можно заставить изгибаться, их низкая способность к вращательному движению в настоящее время ограничивает их полезность в качестве искусственных мышц. Более того, без принятого стандартного материала для создания устройств EAP коммерциализация оставалась непрактичной. Однако с 1990-х годов в технологии EAP был достигнут значительный прогресс. [7]
Ионное срабатывание
Ионные EAP - это полимеры, которые могут активироваться посредством диффузии ионов в растворе электролита (в дополнение к приложению электрических полей). Современные примеры ионных электроактивных полимеров включают полиэлектродные гели, иономерные полимерные металлические композиты (IPMC), проводящие полимеры и электрореологические жидкости (ERF). В 2011 году было продемонстрировано, что скрученные углеродные нанотрубки также могут приводиться в действие посредством приложения электрического поля. [8]
Пневматический привод
Пневматические искусственные мышцы (PAM) работают за счет наполнения пневматической камеры сжатым воздухом. При приложении давления газа к баллону происходит изотропное объемное расширение, но оно ограничивается плетеными проволоками, которые окружают баллон, переводя объемное расширение в линейное сжатие вдоль оси привода. PAM можно классифицировать по их принципу действия и конструкции; а именно, PAM имеют пневматическое или гидравлическое управление, работу при избыточном или пониженном давлении, плетеные / сетчатые или встроенные мембраны и растягивающие мембраны или переставляющие мембраны. Среди наиболее часто используемых PAM сегодня - мышца с цилиндрическими оплетками, известная как мышца Маккиббена, которая была впервые разработана Дж. Л. Маккиббеном в 1950-х годах. [9]
Тепловое срабатывание
Леска
Искусственные мышцы, созданные из обычной лески и швейных ниток, могут поднимать в 100 раз больший вес и генерировать в 100 раз больше энергии, чем человеческие мышцы той же длины и веса. [10] [11] [12]
Искусственные мышцы на основе лески уже стоят на порядок меньше (за фунт), чем пряжа из сплава с памятью формы или углеродных нанотрубок; но в настоящее время имеют относительно низкую эффективность. [6]
Отдельные макромолекулы выровнены с волокном в коммерчески доступных полимерных волокнах. Свернув их в катушки, исследователи создают искусственные мышцы, которые сокращаются со скоростью, аналогичной человеческим мышцам. [13]
(Раскрученное) полимерное волокно, такое как полиэтиленовая леска или нейлоновая швейная нить, в отличие от большинства материалов, укорачивается при нагревании - примерно до 4% при повышении температуры на 250 К. При скручивании волокна и намотке скрученного волокна в катушку нагревание заставляет катушку сжиматься и укорачиваться до 49%. Исследователи нашли другой способ намотать катушку, при которой нагревание заставляет катушку удлиняться на 69%. [14]
Одно из применений термически активируемых искусственных мышц - это автоматическое открытие и закрытие окон в ответ на температуру без использования энергии. [13]
Крошечные искусственные мышцы, состоящие из скрученных углеродных нанотрубок, заполненных парафином , в 200 раз сильнее человеческих мышц. [15]
Сплавы с памятью формы
Сплавы с памятью формы (SMA), жидкокристаллические эластомеры и металлические сплавы, которые могут деформироваться, а затем возвращаться к своей исходной форме под воздействием тепла, могут функционировать как искусственные мышцы. Искусственные мышцы на основе теплового актуатора обладают термостойкостью, ударопрочностью, низкой плотностью, высокой усталостной прочностью и большим усилием при изменении формы. В 2012 году был продемонстрирован новый класс искусственных мышц, активируемых электрическим полем, не содержащих электролитов, которые называются «приводы крученой нити», основанные на тепловом расширении вторичного материала внутри проводящей скрученной структуры мышцы. [1] [16] Также было продемонстрировано, что спиральная лента из диоксида ванадия может скручиваться и раскручиваться с максимальной скоростью кручения 200 000 об / мин. [17]
Системы контроля
Три типа искусственных мышц имеют разные ограничения, которые влияют на тип системы управления, который им необходим для приведения в действие. Однако важно отметить, что системы управления часто проектируются так, чтобы соответствовать спецификациям данного эксперимента, при этом некоторые эксперименты требуют комбинированного использования множества различных исполнительных механизмов или гибридной схемы управления. Таким образом, следующие примеры не следует рассматривать как исчерпывающий список различных систем управления, которые могут использоваться для приведения в действие данной искусственной мышцы.
EAP Control
Электроактивные полимеры (EAP) предлагают меньший вес, более быстрый отклик, более высокую удельную мощность и более тихую работу по сравнению с традиционными приводами. [18] И электрические, и ионные EAP в основном приводятся в действие с помощью контуров управления с обратной связью, более известных как системы управления с обратной связью. [19]
Пневматическое управление
В настоящее время существует два типа пневматических искусственных мышц (PAM). Первый тип имеет одиночный баллон, окруженный плетеным рукавом, а второй тип - двойной баллон.
Одиночный мочевой пузырь, окруженный плетеным рукавом
Пневматические искусственные мышцы, хотя и легкие и недорогие, представляют собой особенно сложную проблему управления, поскольку они оба очень нелинейны и обладают такими свойствами, как температура, которые значительно меняются с течением времени. ПАМ обычно состоят из резиновых и пластиковых компонентов. Поскольку эти части соприкасаются друг с другом во время срабатывания, температура PAM увеличивается, что в конечном итоге приводит к необратимым изменениям в структуре искусственной мышцы с течением времени. Эта проблема привела к множеству экспериментальных подходов. Таким образом (предоставлено Ahn et al.), Жизнеспособные экспериментальные системы управления включают PID-контроль, адаптивное управление (Lilly, 2003), нелинейное оптимальное прогнозирующее управление (Reynolds et al., 2003), управление переменной структурой (Repperger et al., 1998). ; Medrano-Cerda et al., 1995), планирование усиления (Repperger et al., 1999) и различные подходы мягких вычислений, включая управление алгоритмом обучения Кохонена нейронной сети (Hesselroth et al., 1994), управление нейронной сетью / нелинейным ПИД-регулятором ( Ahn and Thanh, 2005) и нейро-нечеткий / генетический контроль (Chan et al., 2003; Lilly et al., 2003).
Проблемы управления в отношении сильно нелинейных систем обычно решались методом проб и ошибок, с помощью которого можно было выделить «нечеткие модели» (Chan et al., 2003) поведенческих возможностей системы (из экспериментальных результатов конкретной системы). проходит тестирование) знающим экспертом-человеком. Однако в некоторых исследованиях использовались «реальные данные» (Nelles O., 2000) для обучения точности данной нечеткой модели, одновременно избегая математических сложностей предыдущих моделей. Эксперимент Ан и др. - это просто один из примеров недавних экспериментов, в которых используются модифицированные генетические алгоритмы (MGA) для обучения нечетких моделей с использованием экспериментальных данных ввода-вывода от руки робота PAM. [20]
Двойной мочевой пузырь
Этот привод состоит из внешней мембраны с внутренней гибкой мембраной, разделяющей внутреннюю часть мышцы на две части. Сухожилие прикреплено к мембране и выходит из мышцы через рукав, так что сухожилие может сокращаться в мышцу. Трубка пропускает воздух во внутренний пузырь, который затем выкатывается во внешний пузырь. Ключевым преимуществом этого типа пневматической мускулатуры является отсутствие потенциально фрикционного движения мочевого пузыря относительно внешнего рукава.
Температурный контроль
Искусственные мышцы SMA, хотя и легкие и полезны в приложениях, требующих большой силы и смещения, также создают определенные проблемы управления; а именно, искусственные мышцы SMA ограничены их гистерезисными отношениями ввода-вывода и ограничениями полосы пропускания. Как сообщает Wen et al. Обсуждаем, явление фазового превращения SMA является «гистерезисным» в том смысле, что результирующая выходная прядь SMA зависит от предыстории ее подводимого тепла. Что касается ограничений полосы пропускания, динамический отклик актуатора SMA во время гистерезисных фазовых преобразований очень медленный из-за количества времени, необходимого для передачи тепла к искусственной мышце SMA. В отношении управления SMA было проведено очень мало исследований из-за предположений, что приложения SMA рассматриваются как статические устройства; Тем не менее, для решения проблемы управления гистерезисной нелинейностью были протестированы различные подходы к управлению.
Как правило, эта проблема требует применения либо компенсации без обратной связи, либо управления с обратной связью с обратной связью. Что касается разомкнутого управления , то модель Прейзаха часто используются для его простой конструкции и возможностей для легкого моделирования и контроля (Hughes и Вена, 1995). Что касается управления с обратной связью , был использован подход, основанный на пассивности, для анализа устойчивости замкнутого контура SMA (Madill and Wen, 1994). В исследовании Вена и др. Приводится еще один пример управления с обратной связью с обратной связью, демонстрирующий стабильность управления с обратной связью в приложениях SMA за счет применения комбинации управления с обратной связью по усилию и управления положением на гибкой алюминиевой балке, приводимой в действие с помощью SMA, сделанного из Нитинол . [21]
Химический контроль
Химико-механические полимеры, содержащие группы, которые либо чувствительны к pH, либо служат местом селективного распознавания конкретных химических соединений, могут служить в качестве исполнительных механизмов или сенсоров. [22] Соответствующие гели набухают или сжимаются обратимо в ответ на такие химические сигналы. В гелеобразующие полимеры можно ввести большое количество надмолекулярных распознающих элементов , которые могут связываться и использовать в качестве инициаторов ионы металлов, различные анионы, аминокислоты, углеводы и т. Д. Некоторые из этих полимеров проявляют механический отклик только в том случае, если действуют два разных химиката или инициатора. присутствует, таким образом выполняя роль логических ворот. [23] Такие химико-механические полимеры перспективны также для адресной доставки лекарств . Полимеры, содержащие светопоглощающие элементы, могут служить фотохимически управляемыми искусственными мышцами.
Приложения
Технологии искусственных мышц имеют широкий потенциал применения в биомиметических машинах, включая роботов, промышленные приводы и экзоскелеты с электроприводом . Искусственные мышцы на основе EAP сочетают в себе легкий вес, низкое энергопотребление, эластичность и маневренность для передвижения и манипуляций. [2] Будущие устройства EAP найдут применение в аэрокосмической, автомобильной промышленности, медицине, робототехнике, механизмах сочленения, развлечениях, анимации, игрушках, одежде, тактильных и тактильных интерфейсах, контроле шума, преобразователях, генераторах энергии и интеллектуальных структурах. [3]
Пневматические искусственные мышцы также обладают большей гибкостью, управляемостью и легкостью по сравнению с обычными пневматическими цилиндрами. [24] Большинство приложений PAM включают использование мышц, подобных Маккиббену. [24] Термоприводы, такие как SMA, имеют различные военные, медицинские, безопасные и роботизированные приложения, а также могут использоваться для выработки энергии за счет изменения механической формы. [25]
Смотрите также
- Искусственная ячейка
- Электронный нос
- Электронный скин
Рекомендации
- ^ a b c Мирвакили, Сейед М. (2013). Ниобиевые нити из нанопроволоки и их применение в качестве искусственных мышц (MASc). Университет Британской Колумбии . hdl : 2429/44257 .
- ^ а б Бар-Коэн, Йозеф, изд. (2004). «Приложения EAP, возможности и проблемы» . Электроактивные полимерные (EAP) актуаторы как искусственные мышцы: реальность, потенциал и проблемы (второе издание) . Электронная библиотека SPIE. Архивировано из оригинального (PDF) 21 декабря 2014 года . Проверено 24 июля 2013 года .
- ^ а б Коэн, Йозеф. «Электроактивные полимеры (EAP)» . Калтех. Архивировано из оригинального 12 декабря 2012 года . Проверено 1 января 2014 года .
- ^ Мирвакили, С .; и другие. (2018). «Искусственные мышцы: механизмы, приложения и проблемы». Современные материалы . 30 (6): 1704407. DOI : 10.1002 / adma.201704407 . PMID 29250838 .
- ^ «Ученые только что создали одни из самых мощных мышц» . io9 . 20 февраля 2014 . Проверено 20 октября 2014 года .
- ^ а б Уильям Херкевиц. «Синтетическая мышца из лески в 100 раз прочнее настоящей» . 2014 г.
- ^ Коэн, Йозеф. «Электроактивные полимеры (EAP)» . Архивировано из оригинального 12 декабря 2012 года . Проверено 1 января 2014 года .
- ^ Foroughi, J .; и другие. (2011). «Искусственные мышцы на основе торсионных углеродных нанотрубок». Наука . 334 (6055): 494–497. Bibcode : 2011Sci ... 334..494F . DOI : 10.1126 / science.1211220 . PMID 21998253 .
- ^ «Искусственные мышцы: приводы для биороботических систем» (PDF) . Вашингтонский университет. 1999. Архивировано из оригинального (PDF) 18 июля 2010 года . Проверено 21 февраля 2014 года .
- ^ «Исследователи создают мощные мышцы из лески, нити» . 2014 г.
- ^ Меган Розен. «Изготовление искусственных мышц с помощью спина» . 2014 г.
- ^ «Мощные искусственные мышцы из ... лески?» . Gizmag.com . Проверено 26 февраля 2014 года .
- ^ а б Дэни Купер. «Сплетенная леска превратилась в мускул» . 2014 г.
- ^ Тим Воган. «Исследователи прядут пряжу в мускул» 2014.
- ^ «Искусственные мышцы сильнее настоящих» . Новости открытия. 13 декабря 2012 . Проверено 3 июля 2013 года .
- ^ Лима, Мэриленд; и другие. (2012). «Электрическое, химическое и фотонное приведение в действие кручения и растяжения мышц гибридной углеродной нанотрубки». Наука . 338 (6109): 928–932. Bibcode : 2012Sci ... 338..928L . DOI : 10.1126 / science.1226762 . PMID 23161994 .
- ^ «Ученые демонстрируют, что роботизированные мышцы в 1000 раз мощнее человеческих» . Gizmag.com. 23 декабря 2013 . Проверено 24 декабря 2013 года .
- ^ Мавроидис, Константинос (2010). Бар-Коэн, Йосеф (ред.). "Нелинейное управление силой диэлектрических электроактивных полимерных приводов" (PDF) . Электроактивные полимерные приводы и устройства (Eapad) 2010 . 7642 : 76422 С. Bibcode : 2010SPIE.7642E..2CO . DOI : 10.1117 / 12.847240 . Архивировано из оригинального (PDF) 23 сентября 2015 года . Проверено 4 января 2014 года .
- ^ Баохуа Ци; Вен Лу и Бенджамин Р. Маттес "Система управления электропроводными полимерными приводами", Proc. SPIE 4695, Интеллектуальные конструкции и материалы 2002: Электроактивные полимерные приводы и устройства (EAPAD), 359 (10 июля 2002 г.). DOI : 10,1117 / 12,475183
- ^ Ан, Кён. «Гибридное управление роботизированной рукой с пневматической искусственной мышцей (PAM) с использованием обратной нечеткой модели NARX» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 6 января 2014 года . Проверено 4 января 2014 года .
- ^ Вен, Джон. «Управление обратной связью с использованием приводов из сплава с памятью формы» (PDF) . Проверено 3 января 2014 года .
- ^ Chemoresponsive Materials , редактор: Ханс-Йорг Шнайдер, Королевское химическое общество, Кембридж 2015 , https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-78262-242-0
- ^ Ханс-Йорг Шнайдер Логические функции в химико-механических материалах ChemPhysChem , 2017 , 18, 2306–2313 DOI: 10.1002 / cphc.201700186
- ^ а б Фрэнк Даерден; Дирк Лефебер (2002). «Пневматические искусственные мышцы: приводы для робототехники и автоматизации» (PDF) . Брюссельский университет Vrije , факультет машиностроения . Проверено 24 июля 2013 года .
- ^ Лин, Ричард. «Сплавы с памятью формы» . Проверено 3 января 2014 года .