Mușchiul artificial
Mușchiul artificial este un termen folosit pentru materiale sau echipamente care se pot contracta, extinde sau roti reversibil atunci când sunt supuse unui stimul extern (tensiune electrică, curent, presiune sau temperatură). [1] Cele trei mișcări de bază, contracția, expansiunea și rotația pot fi combinate într-o singură mișcare pentru a produce alte tipuri de mișcare (de exemplu, îndoirea contractând o parte a materialului în timp ce cealaltă se extinde). Motoarele convenționale și motoarele cu aer nu sunt considerate mușchi artificiali, deoarece mai multe componente sunt implicate în mișcare.
Având în vedere flexibilitatea lor mare, versatilitatea și raportul putere-greutate, comparativ cu motoarele tradiționale, mușchii artificiali au potențialul de a fi o tehnologie foarte puternică, în viitor ar putea avea aplicații în industrie, medicină, robotică și multe alte domenii. [2] [3]
Comparație cu mușchii naturali
Deși nu există o metodă generală care să permită compararea cu motoarele, există „criterii de putere” pentru tehnologiile musculare artificiale care permit compararea cu proprietățile musculare naturale. Pe scurt, criteriile includ stresul, tensiunea, rata de deformare, ciclul de viață și modulul elastic. Unii cercetători au luat în considerare alte criterii (Huber și colab., 1997). În 2014, cele mai puternice fibre musculare artificiale existente pot oferi o creștere a puterii de până la 100 de ori comparativ cu mușchii naturali de lungime egală. [4]
Cercetătorii măsoară viteza, efortul , puterea și eficiența mușchilor artificiali; niciun tip de mușchi artificial nu este cel mai bun din toate domeniile. [5]
Tipuri
Mușchii artificiali pot fi împărțiți în trei grupe principale pe baza activării lor diferite. [1]
Polimeri electroactivi
Polimerii electroactivi (EAP) sunt polimeri care pot fi activați prin aplicarea unui câmp electric, în prezent EAP-urile cele mai promițătoare includ polimeri piezoelectrici , actuatori dielectrici (DEA), elastomeri la implanturi electrostrictive , elastomeri cu cristale lichide (LCE) și polimeri feroelectrici . În timp ce aceste EAP pot fi îndoite, cuplul lor scăzut le limitează utilitatea pentru mușchii artificiali. În plus, fără un material standard pentru crearea dispozitivelor EAP, comercializarea acestora a rămas nepracticabilă, deși s-au făcut progrese semnificative începând cu 1990. [6]
Implementare pe bază de ioni
EAP-urile ionice sunt polimeri care pot fi activați prin difuzia ionilor într-o soluție electrolitică (pe lângă aplicarea câmpurilor electrice). Exemplele actuale de polimeri electroactivi ionici includ geluri polielectrolite, polimeri ionomerici metalici compuși (IPMC), polimeri conductivi și fluide electroreologice (ERF). În 2011 s-a demonstrat că nanotuburile de carbon răsucite pot fi utilizate ca EAP dacă se aplică un câmp electric. [7]
Activare pneumatică
Același articol în detaliu Mușchi pneumatic artificial
Mușchii artificiali pneumatici (PAM) funcționează prin umplerea unei vezici pneumatice cu aer comprimat. După aplicarea presiunii gazului pe vezică, se produce dilatarea volumului izotrop, dar este limitată de firele împletite care înconjoară vezica, traducând expansiunea volumului într-o contracție liniară de-a lungul axei actuatorului. Printre cele mai frecvent utilizate MAP-uri de astăzi se află un mușchi cilindric împletit cunoscut sub numele de mușchi McKibben, care a fost dezvoltat de JL McKibben în 1950. [8]
Activare termică
Mușchii artificiali activați termic răspund la schimbările de temperatură prin scurtare sau extindere.
Mușchii artificiali construiți cu linie de pescuit comună și fir de cusut pot ridica de 100 de ori mai multă greutate și pot genera de 100 de ori mai multă energie decât un mușchi uman de aceeași lungime și greutate. [9] [10] [11]
Mușchii artificiali pe bază de linie costă mult mai puțin decât aliajele cu memorie de formă sau firul de nanotuburi de carbon; dar în prezent au o eficiență relativ slabă. [5]
Macromoleculele unice aliniate în fibre de polimer pot fi înfășurate în bobine și utilizate pentru a crea mușchi artificiali care se contractă la viteze asemănătoare omului. [12]
Fibrele polimerice, cum ar fi polietilena, nailonul și linia de pescuit, spre deosebire de multe materiale, se scurtează la încălzire la aproximativ 4% cu o creștere a temperaturii de 250 K. Prin rotirea fibrei și înfășurarea fibrei răsucite într-o bobină, încălzirea provoacă o scurtare care poate ajunge 49%. Un sistem de ambalare mai complex permite o scurtare de 69%. [13]
Micii mușchi artificiali compuși din nanotuburi de carbon umplute cu parafină permit o putere musculară care poate depăși de 200 de ori cea a oamenilor. [14]
Aliaj de memorie de formă
Același articol în detaliu Aliaj de memorie de formă
Aliajele cu memorie de formă (SMA), elastomerii cu cristale lichide și aliajele metalice care pot fi deformate și apoi readuse la forma lor originală atunci când sunt expuse la căldură, pot funcționa ca mușchi artificiali. Acești mușchi artificiali oferă rezistență la căldură, rezistență la șoc, densitate scăzută, rezistență ridicată la oboseală și generare mare de forță în timpul schimbărilor de formă. S-a demonstrat că o bandă cu dioxid de vanadiu se poate răsuci la o viteză maximă de răsucire de 200.000 rotații pe minut.
Sistem de control
Cele trei tipuri de mușchi artificiali au limitări diferite care afectează tipul de sistem de control de care au nevoie pentru operare. Este important de reținut, totuși, că sistemele de control sunt deseori concepute pentru a îndeplini specificațiile unui experiment dat, cu unele experimente care necesită utilizarea combinată a unei varietăți de actuatori diferiți sau a unei scheme de control hibrid. Ca atare, următoarele exemple nu ar trebui tratate ca o listă exhaustivă a varietății de sisteme de control care pot fi utilizate pentru a opera un anumit mușchi artificial.
Control EAP
EAP-urile oferă greutate mai mică, răspuns mai rapid, tensiune internă mai mare și funcționare mai silențioasă decât actuatoarele tradiționale. Atât EAP-urile electrice, cât și cele ionice sunt operate în principal de sisteme de control cu buclă închisă.
Controlul pneumatic
În prezent există două tipuri de mușchi artificiali pneumatici. Primul tip are o singură vezică înconjurată de un manșon împletit, iar al doilea tip are o vezică dublă.
O singură vezică înconjurată de manșetă împletită
Mușchii artificiali pneumatici ușori și ieftini au o problemă de control deosebit de dificilă, deoarece unele dintre caracteristicile sale, cum ar fi schimbarea temperaturii în mod semnificativ în timp. PAM-urile constau în general din componente din cauciuc și plastic. Pe măsură ce aceste părți intră în contact între ele în timpul acționării, temperatura crește, ducând la modificări permanente ale structurii mușchiului artificial în timp.
Vezică dublă
Acest actuator constă dintr-o membrană exterioară cu o membrană interioară flexibilă care împarte interiorul mușchiului în două porțiuni. Un tendon este atașat la membrană și iese din mușchi printr-un manșon, astfel încât tendonul să se poată contracta în mușchi. Un tub permite aerului în vezica interioară, care apoi se rostogolește în vezica exterioară. Unul dintre principalele avantaje ale acestui tip de mușchi pneumatic este că nu există mișcări care să provoace frecare între vezică și un manșon exterior.
Controlul termic
Mușchii artificiali SMA, deși ușori și utili în aplicații care necesită o forță mare de mișcare, reprezintă, de asemenea, o provocare pentru controlul lor; adică sunt limitate de relațiile lor isterice de intrare-ieșire și de limitările lățimii de bandă. Histerezisul este cauzat de încetineala difuziei căldurii și, în general, s-au făcut puține studii pentru a remedia această problemă.
În general, pentru a rezolva această problemă este necesar să se aplice o compensare a feedback-ului în buclă deschisă sau închisă. În ceea ce privește controlul buclei deschise, modelul Preisach a fost adesea folosit pentru structura sa simplă și capacitatea de a simula și controla ușor.
Aplicații
Tehnologiile musculare artificiale au multe aplicații pentru construirea de mașini biomimetice, inclusiv roboți, mașini industriale, exoschelete [2] viitoarele mașini EAP vor avea aplicații în ingineria aerospațială, auto, industrie, medicină, robotică, jucării, haine, în interfețe tactile și optice, în zgomot control, în traductoare, în generatoare de curent ... [3]
Notă
- ^ a b Seyed M. Mirvakili, Niobium Nanowire Yarns and Their Application as Artificial Muscle , la hdl.handle.net , Universitatea din Columbia Britanică , 2013. Accesat la 3 iulie 2013 .
- ^ a b Bar-Cohen, Yoseph (ed.), Aplicații EAP, potențial și provocări ( PDF ), în actuatori de polimeri electroactivi (EAP) ca mușchi artificiali: realitate, potențial și provocări (ediția a doua) , Biblioteca digitală SPIE, 2004 (arhivat din original la 21 decembrie 2014) .
- ^ a b Yoseph Cohen, Polimeri Electroactivi (EAP) , electrochem.cwru.edu , Caltech. Adus la 1 ianuarie 2014 (arhivat din original la 12 decembrie 2012) .
- ^ Oamenii de știință tocmai au creat unii dintre cei mai puternici mușchi existenți , la io9.gizmodo.com , io9 , 20 februarie 2014. Accesat la 20 octombrie 2014 .
- ^ a b William Herkewitz. „Musculul sintetic din linia de pescuit este de 100 de ori mai puternic decât adevăratul lucru” . 2014.
- ^ Yoseph Cohen, Polimeri Electroactivi (EAP) , de la electrochem.cwru.edu . Adus la 1 ianuarie 2014 (arhivat din original la 12 decembrie 2012) .
- ^ Foroughi, J., Torsional Carbon Nanotube Artificial Muscles , în Știință , vol. 334, nr. 6055, 2011, pp. 494–497, DOI : 10.1126 / science.1211220 .
- ^ Artificial Muscles: Actuators for Biorobotic Systems ( PDF ), la brl.ee.washington.edu , Universitatea din Washington, 1999. Accesat la 21 februarie 2014 (arhivat din original la 18 iulie 2010) .
- ^ "Cercetătorii creează mușchi puternici din linia de pescuit, fir" . 2014.
- ^ Meghan Rosen. „Realizarea mușchilor artificiali cu o rotire” . 2014.
- ^ Muschii artificiali puternici din ... linie de pescuit? , pe gizmag.com . Adus la 26 februarie 2014 .
- ^ Dani Cooper. „Linia de pescuit filată transformată în mușchi” . 2014.
- ^ Tim Wogan. „Cercetătorii filează un fir într-un mușchi” 2014.
- ^ Artificial Muscle Stronger Than the Real Thing , pe news.discovery.com , Discovery News, 13 decembrie 2012. Accesat la 3 iulie 2013 .
