Искусственные мышцы , также известные как мышечно -подобные приводы , представляют собой материалы или устройства, которые имитируют естественные мышцы и могут изменять свою жесткость, обратимо сокращаться, расширяться или вращаться в пределах одного компонента из-за внешнего стимула (такого как напряжение, ток, давление или температура). [1] Три основных реакции приведения в действие — сокращение, расширение и вращение — могут быть объединены в пределах одного компонента для создания других типов движений (например, изгиба, путем сокращения одной стороны материала при расширении другой стороны). Обычные двигатели и пневматические линейные или вращательные приводы не считаются искусственными мышцами, поскольку в приведении в действие задействовано более одного компонента.
Благодаря своей высокой гибкости, универсальности и соотношению мощности к весу по сравнению с традиционными жесткими приводами, искусственные мышцы имеют потенциал стать крайне прорывной новой технологией . Хотя в настоящее время она используется ограниченно, эта технология может иметь широкое будущее применение в промышленности, медицине, робототехнике и многих других областях. [2] [3] [4]
Хотя не существует общей теории, которая позволяет сравнивать приводы, существуют «критерии мощности» для технологий искусственных мышц, которые позволяют специфицировать новые технологии приводов в сравнении с естественными мышечными свойствами. Подводя итог, можно сказать, что критерии включают в себя напряжение , деформацию , скорость деформации , циклический срок службы и модуль упругости . Некоторые авторы рассматривали другие критерии (Huber et al., 1997), такие как плотность привода и разрешение деформации. [ необходима цитата ] По состоянию на 2014 год самые мощные искусственные мышечные волокна из существующих могут предложить стократное увеличение мощности по сравнению с эквивалентной длиной натуральных мышечных волокон. [5]
Исследователи измеряют скорость, плотность энергии , мощность и эффективность искусственных мышц; ни один тип искусственных мышц не является лучшим во всех областях. [6]
Искусственные мышцы можно разделить на три основные группы в зависимости от механизма их приведения в действие. [1]
Электроактивные полимеры (ЭАП) — это полимеры, которые могут быть приведены в действие посредством приложения электрических полей. В настоящее время наиболее известными ЭАП являются пьезоэлектрические полимеры, диэлектрические приводы (ДЭА), электрострикционные привитые эластомеры , жидкокристаллические эластомеры (ЖКЭ) и сегнетоэлектрические полимеры. Хотя эти ЭАП можно заставить сгибаться, их низкая способность к крутящему моменту в настоящее время ограничивает их полезность в качестве искусственных мышц. Более того, без общепринятого стандартного материала для создания устройств ЭАП коммерциализация оставалась непрактичной. Однако с 1990-х годов в технологии ЭАП был достигнут значительный прогресс. [7]
Ионные EAP — это полимеры, которые могут быть активированы посредством диффузии ионов в растворе электролита (в дополнение к приложению электрических полей). Текущие примеры ионных электроактивных полимеров включают полиэлектродные гели, иономерные полимерно-металлические композиты (IPMC), проводящие полимеры, пиромеллитамидные гели и электрореологические жидкости (ERF). В 2011 году было продемонстрировано, что скрученные углеродные нанотрубки также могут быть активированы посредством приложения электрического поля. [8]
Пневматические искусственные мышцы (ПИМ) работают, заполняя пневматический баллон сжатым воздухом. При подаче давления газа на баллон происходит изотропное расширение объема, но оно ограничивается плетеными проводами, которые окружают баллон, преобразуя расширение объема в линейное сокращение вдоль оси привода. ПИМ можно классифицировать по их работе и конструкции; а именно, ПИМ характеризуются пневматическим или гидравлическим действием, действием избыточного или пониженного давления, плетеными/сетчатыми или встроенными мембранами и растягивающимися мембранами или перестраивающимися мембранами. Среди наиболее часто используемых сегодня ПИМ — цилиндрически плетеная мышца, известная как мышца Маккиббена, которая была впервые разработана Дж. Л. Маккиббеном в 1950-х годах. [9]
Искусственные мышцы, изготовленные из обычной рыболовной лески и швейных ниток, могут поднимать в 100 раз больший вес и генерировать в 100 раз больше силы, чем человеческие мышцы той же длины и веса. [10]
Отдельные макромолекулы выстраиваются в линию с волокном в коммерчески доступных полимерных волокнах. Скручивая их в катушки, исследователи создают искусственные мышцы, которые сокращаются со скоростью, схожей с человеческой.
(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 нагрев заставляет катушку сжиматься и укорачиваться до 49%. Исследователи нашли другой способ намотки катушки таким образом, что нагрев заставляет катушку удлиняться на 69%.
Одним из применений термоактивируемых искусственных мышц является автоматическое открытие и закрытие окон в зависимости от температуры без использования энергии.
Крошечные искусственные мышцы, состоящие из скрученных углеродных нанотрубок, заполненных парафином, в 200 раз сильнее человеческих мышц. [11]
Сплавы с эффектом памяти формы (SMA), жидкокристаллические эластомеры и металлические сплавы, которые могут деформироваться и затем возвращаться к своей первоначальной форме при воздействии тепла, могут функционировать как искусственные мышцы. Искусственные мышцы на основе термоактуаторов обладают термостойкостью, ударопрочностью, низкой плотностью, высокой усталостной прочностью и большой генерацией силы при изменении формы. В 2012 году был продемонстрирован новый класс активируемых электрическим полем искусственных мышц, не содержащих электролитов , называемых «актуаторами из скрученной пряжи», основанных на тепловом расширении вторичного материала в проводящей скрученной структуре мышцы. [1] [12] Также было продемонстрировано, что свернутая лента из диоксида ванадия может скручиваться и раскручиваться с пиковой скоростью кручения 200 000 об/мин. [13]
Три типа искусственных мышц имеют различные ограничения, которые влияют на тип системы управления, необходимой для приведения в действие. Однако важно отметить, что системы управления часто разрабатываются в соответствии со спецификациями конкретного эксперимента, при этом некоторые эксперименты требуют комбинированного использования различных приводов 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.
Электроактивные полимеры (ЭАП) обеспечивают меньший вес, более быструю реакцию, более высокую плотность мощности и более тихую работу по сравнению с традиционными приводами. [14] Как электрические, так и ионные ЭАП в основном приводятся в действие с помощью контуров управления с обратной связью, более известных как системы управления с замкнутым контуром. [15]
В настоящее время существует два типа пневматических искусственных мышц (ПИМ). Первый тип имеет одинарный пузырь, окруженный плетеным рукавом, а второй тип имеет двойной пузырь.
Пневматические искусственные мышцы, хотя и легкие и недорогие, представляют собой особенно сложную проблему управления, поскольку они оба являются крайне нелинейными и имеют свойства, такие как температура, которые значительно колеблются со временем. PAM обычно состоят из резиновых и пластиковых компонентов. Поскольку эти части соприкасаются друг с другом во время приведения в действие, температура PAM повышается, что в конечном итоге приводит к постоянным изменениям в структуре искусственной мышцы с течением времени. Эта проблема привела к появлению множества экспериментальных подходов. Подводя итог (предоставленный Аном и др.), можно сказать, что жизнеспособные экспериментальные системы управления включают ПИД-регулирование, адаптивное регулирование (Лилли, 2003), нелинейное оптимальное предсказательное регулирование (Рейнольдс и др., 2003), регулирование переменной структуры (Реппергер и др., 1998; Медрано-Серда и др., 1995), планирование усиления (Реппергер и др., 1999) и различные подходы мягких вычислений, включая управление алгоритмом обучения Кохонена нейронной сети (Хессельрот и др., 1994), регулирование нейронной сети/нелинейного ПИД (Ан и Тхань, 2005) и нейро-нечеткое/генетическое управление (Чан и др., 2003; Лилли и др., 2003).
Проблемы управления, касающиеся высоконелинейных систем, обычно решались методом проб и ошибок, посредством которого «нечеткие модели» (Chan et al., 2003) поведенческих возможностей системы могли быть получены (из экспериментальных результатов конкретной тестируемой системы) знающим экспертом-человеком. Однако некоторые исследования использовали «реальные данные» (Nelles O., 2000) для обучения точности заданной нечеткой модели, одновременно избегая математических сложностей предыдущих моделей. Эксперимент Ahn et al. является просто одним из примеров недавних экспериментов, в которых используются модифицированные генетические алгоритмы (MGA) для обучения нечетких моделей с использованием экспериментальных данных ввода-вывода от роботизированной руки PAM. [16]
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 позволяет воздуху поступать во внутренний пузырь, который затем выкатывается во внешний пузырь. Ключевым преимуществом этого типа пневматической мышцы является то, что нет потенциально фрикционного движения пузыря о внешний рукав.
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 своими гистерезисными отношениями ввода-вывода и ограничениями полосы пропускания. Как обсуждают Вэнь и др., явление фазового преобразования SMA является «гистерезисным» в том смысле, что результирующая выходная нить SMA зависит от истории ее подвода тепла. Что касается ограничений полосы пропускания, динамический отклик привода 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 управления SMA из-за предположений, которые рассматривают приложения SMA как статические устройства; тем не менее, было протестировано множество подходов к управлению для решения проблемы управления гистерезисной нелинейностью.
Как правило, эта проблема требует применения либо компенсации разомкнутого контура, либо управления с обратной связью замкнутого контура. Что касается управления разомкнутого контура , модель Preisach часто использовалась из-за ее простой структуры и возможности легкого моделирования и управления (Hughes and Wen, 1995). Что касается управления замкнутого контура , использовался подход, основанный на пассивности, для анализа устойчивости замкнутого контура SMA (Madill and Wen, 1994). Исследование Wen et al. дает еще один пример управления с обратной связью замкнутого контура, демонстрируя устойчивость управления замкнутого контура в приложениях SMA посредством применения комбинации управления обратной связью по силе и управления положением на гибкой алюминиевой балке, приводимой в действие SMA, изготовленным из нитинола . [17]
Химико-механические полимеры, содержащие группы, которые либо чувствительны к pH, либо служат селективным участком распознавания для определенных химических соединений, могут служить в качестве исполнительных механизмов или сенсоров. [18] Соответствующие гели обратимо набухают или сжимаются в ответ на такие химические сигналы. Большое разнообразие надмолекулярных элементов распознавания может быть введено в гелеобразующие полимеры, которые могут связывать и использовать в качестве инициаторов ионы металлов, различные анионы, аминокислоты, углеводы и т. д. Некоторые из этих полимеров проявляют механическую реакцию только в том случае, если присутствуют два разных химиката или инициатора, таким образом выполняя функции логических вентилей. [19] Такие химико-механические полимеры также перспективны для целенаправленной доставки лекарств . Полимеры, содержащие поглощающие свет элементы, могут служить в качестве фотохимически контролируемых искусственных мышц.
Искусственные мышечные технологии имеют широкий потенциал применения в биомиметических машинах, включая роботов, промышленные приводы и экзоскелеты с электроприводом . Искусственные мышцы на основе EAP предлагают сочетание легкого веса, низкого энергопотребления, устойчивости и ловкости для передвижения и манипуляций. [2] Будущие устройства EAP будут иметь применение в аэрокосмической промышленности, автомобильной промышленности, медицине, робототехнике, механизмах артикуляции, развлечениях, анимации, игрушках, одежде, тактильных и тактильных интерфейсах, управлении шумом, преобразователях, генераторах энергии и интеллектуальных структурах. [3]
Пневматические искусственные мышцы также обеспечивают большую гибкость, управляемость и легкость по сравнению с обычными пневматическими цилиндрами. [20] Большинство применений PAM предполагают использование мышц типа Маккиббена. [20] Тепловые приводы, такие как SMA, имеют различные военные, медицинские, охранные и робототехнические применения, а также могут быть использованы для генерации энергии посредством механических изменений формы. [21]