Искусственные мышцы , также известные как мускулоподобные приводы , представляют собой материалы или устройства, которые имитируют естественные мышцы и могут изменять свою жесткость, обратимо сжиматься, расширяться или вращаться внутри одного компонента из-за внешнего стимула (например , напряжения, тока, давления или температуры). ). [1] Три основных реакции на срабатывание — сжатие, расширение и вращение — могут быть объединены в одном компоненте для создания других типов движений (например, изгиба путем сжатия одной стороны материала и расширения другой стороны). Обычные двигатели и пневматические линейные или поворотные приводы не считаются искусственными мышцами, поскольку в 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 весьма революционной новой технологией . Хотя в настоящее время эта технология используется ограниченно, в будущем она может найти широкое применение в промышленности, медицине, робототехнике и многих других областях. [2] [3] [4]
Хотя не существует общей теории, позволяющей сравнивать приводы, существуют «критерии мощности» для технологий искусственных мышц, которые позволяют специфицировать новые технологии приводов по сравнению с естественными мышечными свойствами. Таким образом, критерии включают напряжение , деформацию , скорость деформации , срок службы и модуль упругости . Некоторые авторы рассматривали другие критерии (Huber et al., 1997), такие как плотность привода и разрешение деформации. [ нужна цитата ] По состоянию на 2014 год самые мощные из существующих искусственных мышечных волокон могут обеспечить стократное увеличение мощности по сравнению с естественными 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]
Искусственные мышцы можно разделить на три основные группы в зависимости от механизма их приведения в действие. [1]
Электроактивные полимеры (ЭАП) — это полимеры, которые можно активировать посредством приложения электрических полей. В настоящее время наиболее известные EAP включают пьезоэлектрические полимеры, диэлектрические актуаторы (DEA), электрострикционные привитые эластомеры , жидкокристаллические эластомеры (LCE) и сегнетоэлектрические полимеры. Хотя эти EAP можно заставить сгибаться, их низкая способность к крутящему движению в настоящее время ограничивает их полезность в качестве искусственных мышц. Более того, без общепринятого стандартного материала для создания устройств EAP коммерциализация остается непрактичной. Однако с 1990-х годов в технологии EAP был достигнут значительный прогресс. [7]
Ионные EAP представляют собой полимеры, которые можно активировать за счет диффузии ионов в растворе электролита (помимо приложения электрических полей). Текущие примеры ионных электроактивных полимеров включают полиэлектродные гели, иономерные полимерные металлические композиты (IPMC), проводящие полимеры, пиромеллитамидные гели и электрореологические жидкости (ERF). В 2011 году было продемонстрировано, что скрученные углеродные нанотрубки также можно активировать с помощью электрического поля. [8]
Пневматические искусственные мышцы (PAM) работают путем наполнения пневматического пузыря воздухом под давлением. При приложении давления газа к мочевому пузырю происходит изотропное расширение объема, но оно ограничивается плетеными проводами, окружающими мочевой пузырь, переводя расширение объема в линейное сжатие вдоль оси привода. PAM можно классифицировать по принципу действия и конструкции; а именно, PAM имеют пневматическое или гидравлическое управление, работу при избыточном или пониженном давлении, плетеные/сетчатые или встроенные мембраны, а также растягивающиеся мембраны или перестановочные мембраны. Среди наиболее часто используемых сегодня PAM — мышца с цилиндрической оплеткой, известная как мышца МакКиббена, которая была впервые разработана Дж. Л. МакКиббеном в 1950-х годах. [9]
Искусственные мышцы, построенные 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 порядки меньше (за фунт), чем сплав с памятью формы или пряжа из углеродных нанотрубок; но в настоящее время имеют относительно низкую эффективность. [6]
В коммерчески доступных полимерных волокнах отдельные макромолекулы ориентированы относительно волокна . Сматывая их в катушки, исследователи создают искусственные мышцы, которые сокращаются со скоростью, аналогичной человеческим мышцам. [13]
(Нескрученное) 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 приводит к тому, что катушка сжимается и укорачивается до 49%. Исследователи нашли другой способ намотки катушки: при нагревании катушка удлиняется на 69%. [14]
Одним из применений термоактивируемых искусственных мышц является автоматическое открытие и закрытие окон, реагирующее на температуру без использования какой-либо энергии. [13]
Крошечные искусственные мышцы, состоящие из скрученных углеродных нанотрубок , наполненных парафином , в 200 раз прочнее человеческих мышц. [15]
Сплавы с памятью формы (SMA), жидкокристаллические эластомеры и металлические сплавы, которые можно деформировать, а затем возвращать к исходной форме под воздействием тепла, могут функционировать как искусственные мышцы. Искусственные мышцы на основе термопривода обладают термостойкостью, ударопрочностью, низкой плотностью, высокой усталостной прочностью и генерированием больших усилий при изменении формы. В 2012 году был продемонстрирован новый класс активируемых электрическим полем и не содержащих электролитов искусственных мышц, названных «приводами из крученой нити», основанный на тепловом расширении вторичного материала внутри проводящей скрученной структуры мышцы. [1] [16] Также было продемонстрировано, что намотанная лента диоксида ванадия может скручиваться и раскручиваться с максимальной скоростью кручения 200 000 об/мин. [17]
Три типа искусственных мышц имеют разные ограничения, которые влияют на тип системы управления, необходимой им для приведения в действие. Однако важно отметить, что системы управления часто разрабатываются с учетом требований конкретного эксперимента, причем некоторые эксперименты требуют комбинированного использования множества различных исполнительных механизмов или гибридной схемы управления. Таким образом, следующие примеры не следует рассматривать как исчерпывающий список разнообразных систем управления, которые могут использоваться для приведения в действие данной искусственной мышцы.
Электроактивные полимеры (EAP) обеспечивают меньший вес, более быстрый отклик, более высокую удельную мощность и более тихую работу по сравнению с традиционными приводами. [18] Как электрические, так и ионные EAP в основном приводятся в действие с помощью контуров управления с обратной связью, более известных как системы управления с обратной связью. [19]
В настоящее время существует два типа пневматических искусственных мышц (PAM). Первый тип имеет одинарную камеру, окруженную плетеным рукавом, а второй тип имеет двойную камеру.
Пневматические искусственные мышцы, хотя и легкие и недорогие, представляют собой особенно сложную проблему управления, поскольку они очень нелинейны и имеют такие свойства, как температура, которые значительно колеблются с течением времени. PAM обычно состоят из резиновых и пластиковых компонентов. Поскольку эти части вступают в контакт 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 появлению множества экспериментальных подходов. Подводя итог (представлено Аном и др.), жизнеспособные экспериментальные системы управления включают ПИД-регулирование, адаптивное управление (Lilly, 2003), нелинейное оптимальное прогностическое управление (Рейнольдс и др., 2003), управление переменной структурой (Repperger et al., 1998). Medrano-Cerda et al., 1995), планирование усиления (Repperger et al., 1999) и различные подходы к мягким вычислениям, включая управление алгоритмом обучения Кохонена с помощью нейронной сети (Hesselroth et al., 1994), нейронное/нелинейное ПИД-управление ( Ан и Тхань, 2005) и нейро-нечеткий/генетический контроль (Chan et al., 2003; Lilly et al., 2003).
Проблемы управления сильно нелинейными системами обычно решаются методом проб и ошибок, с помощью которого можно выделить «нечеткие модели» (Chan et al., 2003) поведенческих способностей системы (из экспериментальных результатов конкретной системы). тестируется) знающим человеком-экспертом. Однако в некоторых исследованиях «реальные данные» (Nelles O., 2000) использовались для повышения точности данной нечеткой модели, одновременно избегая математических сложностей предыдущих моделей. Эксперимент Ана 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]
Этот привод состоит из внешней мембраны и внутренней гибкой мембраны, разделяющей внутреннюю часть мышцы на две части. Сухожилие прикрепляется 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 внешней втулки.
Искусственные мышцы SMA, хотя и легкие и полезные в приложениях, требующих больших усилий и смещений, также создают особые проблемы с контролем; а именно, искусственные мышцы SMA ограничены своими гистерезисными соотношениями ввода-вывода и ограничениями пропускной способности. Как Вэнь и др. Обсудим, что явление фазового превращения SMA является «гистерезисным», поскольку результирующая выходная цепь SMA зависит от истории ее тепловложения. Что касается ограничений полосы пропускания, динамический отклик привода 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, согласно которым 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 с разомкнутым контуром, либо управления с обратной связью с обратной связью. Что касается управления с разомкнутым контуром , модель Прейзаха часто использовалась из-за ее простой структуры и способности легкого моделирования и управления (Хьюз и Вен, 1995). Что касается управления с обратной связью , был использован подход, основанный на пассивности, для анализа устойчивости замкнутого цикла SMA (Madill and Wen, 1994). Исследование Вена и др. представляет собой еще один пример управления с обратной связью с обратной связью, демонстрируя стабильность управления с обратной связью в приложениях SMA за счет применения комбинации управления с обратной связью по силе и управления положением на гибкой алюминиевой балке, приводимой в действие SMA, изготовленной из Нитинол . [21]
В качестве активаторов или сенсоров могут выступать химико-механические полимеры, содержащие группы, которые либо чувствительны к pH, либо служат сайтом селективного узнавания для конкретных химических соединений. [22] Соответствующие гели обратимо набухают или сжимаются в ответ на такие химические сигналы. В гелеобразующие полимеры можно ввести большое количество супрамолекулярных элементов распознавания , которые могут связывать и использовать в качестве ионов металлов, различные анионы, аминокислоты, углеводы и т. д. Некоторые из этих полимеров проявляют механический отклик только в том случае, если два разных химических вещества или инициатора взаимодействуют друг с другом. присутствуют, таким образом выступая в качестве логических вентилей. [23] Такие химико-механические полимеры перспективны также для адресной доставки лекарств . Полимеры, содержащие светопоглощающие элементы, могут служить фотохимически управляемыми искусственными мышцами.
Технологии искусственных мышц имеют широкое потенциальное применение в биомиметических машинах, включая роботов, промышленные приводы и экзоскелеты с электроприводом . Искусственные мышцы на основе EAP сочетают в себе легкий вес, низкую потребляемую мощность, устойчивость и ловкость при передвижении и манипуляциях. [2] Будущие устройства EAP найдут применение в аэрокосмической, автомобильной промышленности, медицине, робототехнике, шарнирных механизмах, развлечениях, анимации, игрушках, одежде, тактильных и тактильных интерфейсах, контроле шума, датчиках, генераторах энергии и интеллектуальных конструкциях. [3]
Пневматические искусственные мышцы также обеспечивают большую гибкость, управляемость и легкость по сравнению с обычными пневматическими цилиндрами. [24] Большинство приложений PAM включают в себя использование мышц, подобных МакКиббену. [24] Тепловые приводы, такие как SMA, имеют различные военные, медицинские, защитные и робототехнические применения, а также могут использоваться для выработки энергии посредством механического изменения формы. [25]