Искусственная мышца - Artificial muscle

Искусственные мышцы, также известный как мышца -подобно приводы, материалы или устройства, имитирующие естественные мышца и могут изменять свою жесткость, обратимо сжиматься, расширяться или вращаться в пределах одного компонента из-за внешнего воздействия (например, напряжения, тока, давления или температуры).[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 пневматический линейные или поворотные приводы не считаются искусственными мышцами, поскольку в их приведении в действие участвует более одного компонента.

Из-за их высокой гибкости, универсальности и соотношения мощности к весу по сравнению с традиционными жесткими приводами искусственные мышцы потенциально могут быть очень разрушительными. новые технологии. 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 в сравнении с естественными мышечными свойствами. Таким образом, критерии включают стресс, напряжение, скорость деформации, цикл жизни и модуль упругости. Некоторые авторы рассмотрели другие критерии (Huber et al., 1997), такие как плотность исполнительного механизма и разрешение деформации.[нужна цитата ] По состоянию на 2014 год самые мощные из существующих искусственных мышечных волокон могут обеспечивать 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

Основная статья: Электроактивные полимеры

Электроактивные полимеры (EAP) - это полимеры, которые могут активироваться посредством приложения электрических полей. В настоящее время наиболее известными EAP являются пьезоэлектрические полимеры, диэлектрические приводы (DEA), электрострикционные трансплантаты. эластомеры, жидкокристаллический 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]

Ионная активация

Ионные EAP - это полимеры, которые могут активироваться за счет диффузии ионов в электролит раствор (помимо приложения 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 может быть приведен в действие путем приложения электрического поля.[8]

Срабатывание электроэнергии

Скрученный и свернутый полимер (TCP) мышцы, также известные как суперспиральный полимер (SCP), представляют собой свернутый полимер, который может приводиться в действие посредством электроэнергия.[9] Мышца TCP выглядит как спиральный весна. Мышцы TCP обычно состоят из серебро покрытый Нейлон. TCP-мышцу также можно сделать из других электрическая проводимость пальто, например, золото. Мышцы TCP должны находиться под нагрузкой, чтобы мышцы оставались растянутыми. Электрическая энергия преобразуется в тепловую из-за электрического сопротивления, которое также известно как Джоулевое нагревание, Омический нагрев и резистивный нагрев. Когда температура TCP-мышцы увеличивается за счет джоулева нагрева, полимер сжимается, и это вызывает сокращение мышцы.[9]

Пневматический привод

Основная статья: Пневматические искусственные мышцы

Пневматические искусственные мышцы (PAMs) работают за счет наполнения пневматической камеры сжатым воздухом. При приложении давления газа к баллону происходит изотропное объемное расширение, но 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 сегодня PAMs - мышца с цилиндрической оплеткой, известная как мышца Маккиббена, которая была впервые разработана Дж. Л. Маккиббеном в 1950-х годах.[10]

Тепловое срабатывание

Леска

Искусственные мышцы, построенные из обычных леска а швейная нить может поднимать в 100 раз больший вес и генерировать в 100 раз больше энергии, чем человеческая мышца той же длины и веса.[11][12][13]

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]

Индивидуальный макромолекулы совмещены с волокном в имеющихся в продаже полимер волокна. Свернув их в катушки, исследователи создают искусственные мышцы, которые сокращаются со скоростью, аналогичной человеческим мышцам.[14]

Полимерное (нескрученное) 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. За счет скручивания волокна и наматывания скрученного волокна в катушку нагревание заставляет катушку сжиматься и сокращаться до 49%. Исследователи нашли другой способ намотать катушку, при которой нагревание приводит к удлинению катушки на 69%.[15]

Одно из применений термически активируемых искусственных мышц - это автоматическое открытие и закрытие окон в ответ на температуру без использования энергии.[14]

Крошечные искусственные мышцы, состоящие из скрученных углеродные нанотрубки наполненный парафин в 200 раз сильнее мышц человека.[16]

Сплавы с памятью формы

Основная статья: Сплав 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 появился новый класс электрических полей, электролит - были продемонстрированы свободные искусственные мышцы, называемые «приводы из скрученной нити», основанные на тепловом расширении вторичного материала внутри проводящей скрученной структуры мышцы.[1][17] Также было продемонстрировано, что спиральный диоксид ванадия лента может скручиваться и раскручиваться с максимальной скоростью вращения 200 000 об / мин.[18]

Системы управления

Основная статья: Теория управления

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.

Контроль напряжения

Скрученные и свернутые полимерными мышцами (TCP) мышцы можно смоделировать с помощью первый заказ линейный инвариантный во времени государственные пространства при вводе электрического напряжения с точностью более 85%. Таким образом, мышцы A TCP можно легко контролировать с помощью цифрового ПИД-регулятор.[9] Нечеткий регулятор можно использовать для ускорения ПИД-регулятора.[9]

EAP контроль

EAP предлагают меньший вес, более быстрый отклик, более высокую удельную мощность и более тихую работу по сравнению с традиционными приводами.[19] И электрические, и ионные EAP в основном активируются с помощью контуров управления с обратной связью, более известных как системы управления с обратной связью.[20]

Пневматическое управление

В настоящее время существует два типа пневматических искусственных мышц (ПАМ). Первый тип имеет одиночный баллон, окруженный плетеным рукавом, а второй тип - двойной баллон.

Одиночный 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 во времени. ПАМ обычно состоят из резиновых и пластиковых компонентов. Поскольку эти части контактируют друг с другом во время срабатывания, температура PAM увеличивается, что в конечном итоге приводит к постоянным 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, адаптивный контроль (Lilly, 2003), нелинейный оптимальный прогнозирующий контроль (Reynolds et al., 2003), контроль переменной структуры (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 высоконелинейных систем обычно решались методом проб и ошибок, с помощью которого можно было выделить "нечеткие модели" (Chan et al., 2003) поведенческих возможностей системы (на основе 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.[21]

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 мышцы является отсутствие потенциально фрикционного движения мочевого пузыря относительно внешнего рукава.

Температурный контроль

Искусственные мышцы SMA, хотя и легкие и полезные в приложениях, требующих большой силы и смещения, также представляют определенные проблемы управления; а именно, искусственные мышцы SMA ограничены их гистерезисными отношениями ввода-вывода и ограничениями полосы пропускания. Как 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 исполнительного механизма SMA во время гистерезисных фазовых преобразований очень медленный из-за количества времени, необходимого для передачи тепла искусственной мышце SMA. Было проведено очень мало исследований относительно контроля SMA из-за предположений, что приложения SMA рассматриваются как статические устройства; Тем не менее, различные подходы к управлению были протестированы для решения проблемы управления гистерезисной нелинейностью.

Как правило, эта проблема требует применения либо компенсации без обратной связи, либо управления с обратной связью с обратной связью. Касательно управление без обратной связи, то Модель Прейзаха часто использовался из-за его простой структуры и возможности легкого моделирования и управления (Hughes and Wen, 1995). Что касается управление 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 посредством применения комбинации управления с обратной связью по усилию и управления положением на гибкой алюминиевой балке, приводимой в действие с помощью SMA, сделанного из Нитинол.[22]

Химический контроль

Химико-механические полимеры, содержащие группы, которые либо чувствительны к pH, либо служат местом селективного распознавания определенных химических соединений, могут служить исполнительными механизмами или сенсорами.[23] Соответствующие гели набухают или сжимаются обратимо в ответ на такие химические сигналы. Большое разнообразие супрамолекулярных элементов распознавания может быть введено в гель -образующие полимеры, которые могут связываться и использовать в качестве инициатора ионы металлов, различные анионы, аминокислоты, углеводы и т. д. Некоторые из этих полимеров проявляют механический отклик только в том случае, если присутствуют два разных химиката или инициатора, таким образом выполняя роль логических ворот.[24] Такие химико-механические полимеры перспективны также для адресная доставка лекарств. Полимеры, содержащие светопоглощающие элементы, могут служить фотохимически управляемыми искусственными мышцами.

Приложения

Технологии искусственных мышц имеют широкий потенциал применения в биомиметик машины, включая роботов, промышленные приводы и электрические экзоскелеты. Искусственные мышцы на основе EAP сочетают в себе легкий вес, низкое энергопотребление, устойчивость и ловкость 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.[25] Большинство применений PAM включают использование мышц, подобных Маккиббену.[25] Термоприводы, такие как SMA, имеют различные военные, медицинские, защитные и роботизированные приложения и, кроме того, могут использоваться для выработки энергии за счет изменения механической формы.[26]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Мирвакили, Сейед М. (2013). Нити из ниобиевых нанопроволок и их применение в качестве искусственных мышц (M.A.Sc). Университет Британской Колумбии. HDL:2429/44257.
  2. ^ 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 оригинал (PDF) 21 декабря 2014 г.. Получено 24 июля 2013.
  3. ^ а б Коэн, Йозеф. «Электроактивные полимеры (EAP)». Калтех. Архивировано из оригинал 12 декабря 2012 г.. Получено 1 января 2014.
  4. ^ Мирвакили, С .; и другие. (2018). «Искусственные мышцы: механизмы, приложения и проблемы». Современные материалы. 30 (6): 1704407. Дои:10.1002 / adma.201704407. PMID  29250838.
  5. ^ «Ученые только что создали одни из самых мощных мышц». io9. 20 февраля 2014 г.. Получено 20 октября 2014.
  6. ^ а б Уильям Херкевиц.«Синтетические мышцы, сделанные из лески, в 100 раз прочнее настоящей».2014.
  7. ^ Коэн, Йозеф. «Электроактивные полимеры (EAP)». Архивировано из оригинал 12 декабря 2012 г.. Получено 1 января 2014.
  8. ^ Foroughi, J .; и другие. (2011). "Искусственные мышцы на основе торсионных углеродных нанотрубок". Наука. 334 (6055): 494–497. Bibcode:2011Научный ... 334..494F. Дои:10.1126 / science.1211220. PMID  21998253.
  9. ^ а б c d Джафарзаде, Мохсен; Ганс, Николас; Тадесс, Йонас (август 2018 г.). «Контроль мышц TCP с использованием системы нечеткого вывода Такаги – Сугено – Канга». Мехатроника. 53: 124–139. Дои:10.1016 / j.mechatronics.2018.06.007.
  10. ^ «Искусственные мышцы: актуаторы для биороботических систем» (PDF). Вашингтонский университет. 1999 г.. Получено 21 февраля 2014.
  11. ^ «Исследователи создают мощные мышцы с помощью лески и ниток».2014.
  12. ^ Меган Розен.«Изготовление искусственных мышц с помощью вращения».2014.
  13. ^ «Мощные искусственные мышцы из ... лески?». Gizmag.com. Получено 26 февраля 2014.
  14. ^ а б Дэни Купер.«Сплетенная леска превратилась в мышцы».2014.
  15. ^ Тим Воган.«Исследователи прядут пряжу в мышцу» 2014.
  16. ^ «Искусственные мышцы сильнее настоящих». Новости открытия. 13 декабря 2012 г.. Получено 3 июля 2013.
  17. ^ Lima, M.D .; 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. Дои:10.1126 / science.1226762. PMID  23161994.
  18. ^ «Ученые демонстрируют, что роботизированные мышцы в 1000 раз мощнее человеческих». Gizmag.com. 23 декабря 2013 г.. Получено 24 декабря 2013.
  19. ^ Мавроидис, Константинос (2010). Бар-Коэн, Йозеф (ред.). «Нелинейное управление усилием диэлектрических электроактивных полимерных приводов» (PDF). Электроактивные полимерные приводы и устройства (Eapad) 2010. 7642: 76422C. Bibcode:2010SPIE.7642E..2CO. Дои:10.1117/12.847240. Архивировано из оригинал (PDF) 23 сентября 2015 г.. Получено 4 января 2014.
  20. ^ 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.). Дои:10.1117/12.475183
  21. ^ Ан, Кён. «Гибридное управление рукой робота с пневматической искусственной мышцей (PAM) с использованием нечеткой модели, обратной NARX» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 6 января 2014 г.. Получено 4 января 2014.
  22. ^ Вен, Джон. «Управление обратной связью с использованием приводов из сплава с памятью формы» (PDF). Получено 3 января 2014.
  23. ^ Хемореактивные материалы, Редактор: Ханс-Йорг Шнайдер, Королевское химическое общество, Кембридж 2015, https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-78262-242-0
  24. ^ Логико-вентильные функции Ханса-Йорга Шнайдера в химико-механических материалах ХимФисХим, 2017, 18, 2306–2313 DOI: 10.1002 / cphc.201700186
  25. ^ а б Фрэнк Даерден; Дирк Лефебер (2002). «Пневматические искусственные мышцы: приводы для робототехники и автоматизации» (PDF). Vrije Universiteit Brussel, Кафедра машиностроения. Получено 24 июля 2013.
  26. ^ Лин, Ричард. «Сплавы с памятью формы». Получено 3 января 2014.