Künstlicher Muskel

Künstlicher Muskel ist ein Oberbegriff für Aktuatoren, Materialien oder Geräte, die den natürlichen Muskel imitieren und sich aufgrund eines äußeren Stimulus (wie Spannung, Strom, Druck oder Temperatur) innerhalb einer Komponente reversibel zusammenziehen, ausdehnen oder drehen können. Die drei grundlegenden Betätigungsreaktionen – Kontraktion, Ausdehnung und Drehung – können innerhalb einer einzigen Komponente kombiniert werden, um andere Bewegungsarten zu erzeugen (z. B. Biegen, indem eine Seite des Materials zusammengezogen wird, während die andere Seite aufgeweitet wird). Herkömmliche Motoren und pneumatische Linear- oder Drehantriebe gelten nicht als künstliche Muskeln, da an der Betätigung mehr als eine Komponente beteiligt ist.

Künstliche Muskeln haben aufgrund ihrer hohen Flexibilität, Vielseitigkeit und des Verhältnisses von Kraft und Gewicht im Vergleich zu herkömmlichen starren Aktuatoren das Potenzial, eine aufkommende Technologie zu werden, die sich als äußerst störend erweist. Obwohl sie derzeit nur in begrenztem Umfang eingesetzt wird, kann die Technologie künftig breite Anwendungen in Industrie, Medizin, Robotik und vielen anderen Bereichen haben.

Überblick
Dazu gehören nicht nur solche, die die tatsächliche Muskelstruktur der Tiere durch Biotechnologie imitieren, sondern auch Aktuatoren, die Strom erzeugen, indem sie den Zustand ändern, indem sie elektrische, magnetische oder chemische Energie verbrauchen.

Es gibt verschiedene Arten von künstlichen Muskeln, wie z. B. piezoelektrische Art, Formgedächtnislegierung, elektrostatische Art, pneumatische Art und dergleichen, aber in letzter Zeit erregen diejenigen, die Polymere wie synthetische Harze verwenden, die Aufmerksamkeit. Es wird gesagt, dass es ein weicher Aktuator ist, weil das zu verwendende Material weich ist, die Bewegung flexibel ist und es auch äußere Kräfte unterstützt.

In der mechanischen Vorrichtung besteht die Tendenz, ein vorbestimmtes Moment in Bezug auf die Eingangsenergie auszugeben, aber wenn physikalisch eine Einschränkung vorliegt, wird die Barriere oder die mechanische Vorrichtung selbst beschädigt. Obwohl bei dem künstlichen Muskel das Training mit einer bestimmten Breite in Bezug auf die Eingangsenergie ausgeführt wird, wenn gleichzeitig eine Kraft von außen zugeführt wird oder ein vorbestimmter Impuls nicht gezeigt werden kann, erzeugt diese Krafteinheit selbst einen übermäßigen Impuls Die Form der Verzerrung Es wird angenommen, dass es die Funktion hat, Absorption, Zerstörung der Ausrüstung und Beschädigung des Objekts zu verhindern.

Diese “weichen” Kraftquellen können vorübergehend Energie in Form von Elastizität erzeugen, die das mechanische Drehmoment aufgrund von Reibung innerhalb und außerhalb des Mechanismus übermäßig verbraucht. Daher haben wir ein effizienteres Gerät entwickelt. Zusätzlich dazu, dass Maschinenelemente und -strukturen dies nicht tun Strom erzeugen, aber das Material selbst ist eine Stromquelle. Man kann sagen, dass es für die Miniaturisierung des Geräts nützlich ist.

Seit 2010 befinden sich jedoch viele piezoelektrische und polymere Materialien für Materialien, die als künstliche Muskeln verwendet werden, in der Entwicklungs- und Forschungsphase. Viele können nicht zu geringen Kosten in Massenproduktion hergestellt werden. • Es ist nicht möglich, Eingangsenergie in Impulsanwendungen umzuwandeln Produkte, die als allgemein verwendbare Produkte verkauft werden, sind aufgrund der geringen Konversionseffizienz und der Probleme bei der Druckfestigkeit / Haltbarkeit begrenzt, und es scheint Zeit zu verbreiten. Die Funktion als Aktuator kann durch Anwendung des Prinzips eines kommerziell erhältlichen Kompaktmotors, Linearmotors (einschließlich Schwingspulenmotors) usw. erreicht werden. Dies kann als kostengünstige vorhandene Produkte verwendet werden, die als Module verfügbar sind. Produkte, die diese verwenden, sind Mainstream, weil sie dies können.

Vergleich mit natürlichen Muskeln
Zwar gibt es keine allgemeine Theorie, die den Vergleich von Aktuatoren ermöglicht, es gibt jedoch “Leistungskriterien” für künstliche Muskeltechnologien, die die Spezifikation neuer Aktuatortechnologien im Vergleich zu natürlichen Muskeleigenschaften ermöglichen. Zusammenfassend umfassen die Kriterien Spannung, Dehnung, Dehnungsrate, Lebensdauer und Elastizitätsmodul. Einige Autoren haben andere Kriterien berücksichtigt (Huber et al., 1997), wie z. B. die Aktuatordichte und die Dehnungsauflösung. Ab 2014 können die stärksten künstlichen Muskelfasern, die es gibt, eine hundertfache Steigerung der Kraft gegenüber äquivalenten Längen natürlicher Muskelfasern bieten.

Forscher messen die Geschwindigkeit, die Energiedichte, die Kraft und die Effizienz künstlicher Muskeln. Kein künstlicher Muskeltyp ist in allen Bereichen der beste.

Typen
Künstliche Muskeln lassen sich aufgrund ihres Betätigungsmechanismus in drei Hauptgruppen einteilen.

Elektrische Feldbetätigung
Elektroaktive Polymere (EAPs) sind Polymere, die durch das Anlegen elektrischer Felder betätigt werden können. Derzeit sind die bekanntesten EAPs piezoelektrische Polymere, dielektrische Aktuatoren (DEAs), elektrostriktive Pfropfelastomere, Flüssigkristallelastomere (LCE) und ferroelektrische Polymere. Während diese EAPs gebogen werden können, schränken ihre geringen Fähigkeiten für die Drehmomentbewegung ihre Verwendbarkeit als künstliche Muskeln ein. Darüber hinaus ist die Kommerzialisierung ohne ein akzeptiertes Standardmaterial zur Erstellung von EAP-Geräten nicht praktikabel. Bei den EAP-Technologien wurden jedoch seit den 1990er Jahren erhebliche Fortschritte erzielt.

Ionengestützte Ansteuerung
Ionische EAPs sind Polymere, die durch Diffusion von Ionen in einer Elektrolytlösung (zusätzlich zum Anlegen elektrischer Felder) aktiviert werden können. Aktuelle Beispiele für ionische elektroaktive Polymere umfassen Polyelektrodengele, ionomere Polymermetallverbundstoffe (IPMC), leitfähige Polymere und elektrorheologische Flüssigkeiten (ERF). 2011 konnte gezeigt werden, dass verdrillte Kohlenstoffnanoröhren auch durch Anlegen eines elektrischen Feldes aktiviert werden können.

Elektrische ansteuerung
Verdrehte und gewickelte Polymermuskeln (TCP), auch bekannt als Super Coiled Polymer (SCP), sind gewickelte Polymere, die durch elektrische Energie betätigt werden können. Ein TCP-Muskel sieht aus wie eine Schraubenfeder. TCP-Muskeln werden normalerweise aus mit Silber beschichtetem Nylon hergestellt. TCP-Muskel kann auch aus anderen elektrisch leitfähigen Schichten wie Gold hergestellt werden. TCP-Muskeln sollten unter Belastung stehen, um die Muskulatur gestreckt zu halten. Die elektrische Energie wird durch den elektrischen Widerstand in Wärmeenergie umgewandelt, die auch als Joule-Heizung, Ohmsche Heizung und Widerstandsheizung bezeichnet wird. Wenn sich die Temperatur des TCP-Muskels durch Joulesche Erwärmung erhöht, zieht sich das Polymer zusammen und verursacht die Muskelkontraktion.

Pneumatische Betätigung
Pneumatische künstliche Muskeln (PAMs) funktionieren durch Füllen einer pneumatischen Blase mit Druckluft. Beim Anlegen von Gasdruck an die Blase tritt eine isotrope Volumenexpansion auf, die jedoch durch geflochtene Drähte begrenzt wird, die die Blase umgeben, wodurch die Volumenexpansion in eine lineare Kontraktion entlang der Achse des Stellglieds umgesetzt wird. PAMs können nach Betrieb und Design klassifiziert werden. PAMs verfügen über pneumatischen oder hydraulischen Betrieb, Überdruck- oder Unterdruckbetrieb, geflochtene / vernetzte oder eingebettete Membranen und Dehnmembranen oder umgeordnete Membranen. Zu den am häufigsten verwendeten PAMs gehört heute ein zylindrisch geflochtener Muskel, der als McKibben Muscle bekannt ist. Er wurde erstmals von JL McKibben in den 1950er Jahren entwickelt.

Thermische Betätigung

Angelleine
Künstliche Muskeln, die aus gewöhnlichen Angelschnüren und Nähgarn bestehen, können 100-mal mehr Gewicht heben und 100-mal mehr Kraft erzeugen als ein menschlicher Muskel gleicher Länge und Gewicht.

Auf der Angelschnur basierende künstliche Muskeln kosten bereits um ein Vielfaches weniger (pro Pfund) als Formgedächtnislegierungs- oder Kohlenstoffnanoröhrengarn; haben aber derzeit einen relativ schlechten Wirkungsgrad.

Einzelne Makromoleküle werden in kommerziell erhältlichen Polymerfasern auf die Faser ausgerichtet. Durch das Aufwickeln zu Spulen bauen die Forscher künstliche Muskeln auf, die sich mit Geschwindigkeiten ähnlich wie die menschlichen Muskeln zusammenziehen.

Im Gegensatz zu den meisten anderen Materialien verkürzt sich eine (ungedrehte) Polymerfaser wie eine Polyethelen-Angelschnur oder ein Nylon-Nähfaden beim Erhitzen – bis zu 4% bei einer Temperaturerhöhung von 250 K. Durch das Verdrehen der Faser und das Wickeln der verdrillten Faser zu einer Spule bewirkt das Erhitzen, dass sich die Spule zusammenzieht und sich um bis zu 49% verkürzt. Die Forscher fanden einen anderen Weg, um die Spule so aufzuwickeln, dass die Erwärmung die Spule um 69% verlängert.

Eine Anwendung thermisch aktivierter künstlicher Muskeln besteht darin, Fenster automatisch zu öffnen und zu schließen, ohne auf Energie zu verzichten.

Winzige künstliche Muskeln aus verdrillten, mit Paraffin gefüllten Kohlenstoffnanoröhren sind 200-mal stärker als der menschliche Muskel.

Formgedächtnislegierungen
Formgedächtnislegierungen (SMAs), flüssigkristalline Elastomere und metallische Legierungen, die bei Wärmeeinwirkung verformt und dann wieder in ihre ursprüngliche Form gebracht werden können, können als künstliche Muskeln fungieren. Auf thermischen Aktuatoren basierende künstliche Muskeln bieten Hitzebeständigkeit, Schlagfestigkeit, geringe Dichte, hohe Ermüdungsfestigkeit und große Kraftentwicklung bei Formänderungen. Im Jahr 2012 wurde eine neue Klasse von elektrofeldaktivierten, elektrolytfreien künstlichen Muskeln, “Twisted-Gar-Actuators”, vorgestellt, die auf der thermischen Ausdehnung eines Sekundärmaterials innerhalb der leitfähigen, verdrillten Struktur des Muskels basieren. Es wurde auch gezeigt, dass sich ein aufgewickeltes Vanadiumdioxidband mit einer maximalen Torsionsgeschwindigkeit von 200.000 U / min drehen und aufdrehen kann.

Künstlicher Muskel mit Polymer
Electric Responsive Polymer (englische Version) (Electroactive Polymers: EAP)
Ionenleitfähiger Polymerfilm (ICPF: Ionisch leitender Polymerfilm)
1991 wurde es von Keisuke Oguchi (Osaka Industrial Technology Research Institute, Nationales Institut für fortgeschrittene industrielle Wissenschaft und Technologie, ehemals AIST) und anderen erfunden.
Edelmetall (Gold, Platin) wird auf beiden Seiten des Perfluorsulfonsäure (PFS) -Films stromlos plattiert und mit hoher Geschwindigkeit gebogen, wenn an beide Seitenelektroden eine Spannung angelegt wird.

Künstlicher Muskel mit pneumatischem Druck
Pneumatische künstliche Muskeln (PAMs)
McKibben-Typ (künstlicher Muskel)
Im Jahr 1961 wurde es von Joseph McKibben entwickelt.
Es hat die Form eines Gummischlauches, der mit Nylonfasern bedeckt ist, und wird durch Anlegen von Druckluft im Inneren zusammengezogen.
Origami Robot – entwickelt von MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL). Künstlicher Muskel, der Origami-Struktur und Vakuumpackung kombiniert. Durch das Herausziehen der Luft aus der Vakuumverpackung verformt sich auch das innere Falzpapier ineinander und wird zu einem Skelett.

Künstliche Muskeln mit Elektrizität und Magnetismus
Verwendung elektrorheologischer Flüssigkeit
Verwendung von magnetischer viskoser Flüssigkeit (magnetorheologische Flüssigkeit)
Verwendung elektrostatischer Anziehungskraft
Ein Aktuator, der elektrostatische Kraft ausnutzt, wie beispielsweise ein “elektrostatischer Hochleistungsmotor”, der von Higuchi • Yamamoto-Labor der Universität Tokio erforscht und entwickelt wird, kann auch als künstlicher Muskel verwendet werden. Videos von elektroaktiven Polymeren in Aktion

CNT Muskelfaser
Ein künstlicher Muskel, der durch Anlegen einer Spannung von etwa 5 kV an eine verarbeitete Kohlenstoffnanoröhre zusammengezogen wurde, wurde am Nanotechnology Research Institute der University of Texas in Dallas entwickelt. Der künstliche Muskel hat nur eine geringfügig höhere Dichte als Luft, eine schnelle Kontraktionsrate und 30 Mal mehr Kraft pro Fläche als der biologische Muskel. (Beachten Sie, dass es im Vergleich zu anderen künstlichen Muskeln nicht besonders stark ist, dass der Körpermuskel dreißigfach ist.

Kontroll systeme
Die drei Arten von künstlichen Muskeln haben unterschiedliche Einschränkungen, die sich auf die Art des Steuersystems auswirken, das sie zur Betätigung benötigen. Es ist jedoch wichtig anzumerken, dass Steuersysteme häufig so ausgelegt sind, dass sie den Spezifikationen eines bestimmten Experiments entsprechen, wobei einige Experimente die kombinierte Verwendung einer Vielzahl verschiedener Aktuatoren oder eines Hybridsteuerungsschemas erfordern. Daher sollten die folgenden Beispiele nicht als erschöpfende Liste der verschiedenen Steuersysteme behandelt werden, die zur Betätigung eines bestimmten künstlichen Muskels verwendet werden können.

Spannungssteuerung
Die verdrehten und gewickelten Polymer (TCP) -Muskeln können durch lineare zeitinvariante Zustandsräume erster Ordnung modelliert werden, wenn der Eingang elektrische Spannung ist, mit einer Genauigkeit von mehr als 85%. Daher können A-TCP-Muskeln leicht von einem digitalen PID-Controller gesteuert werden. Mit einem Fuzzy-Regler kann der PID-Regler beschleunigt werden.

EAP-Steuerung
EAPs bieten im Vergleich zu herkömmlichen Antrieben ein geringeres Gewicht, eine schnellere Reaktion, eine höhere Leistungsdichte und einen leiseren Betrieb. Sowohl elektrische als auch ionische EAPs werden hauptsächlich mit Rückkopplungsregelkreisen betrieben, die besser als Regelungssysteme bezeichnet werden.

Pneumatische Steuerung
Derzeit gibt es zwei Arten pneumatischer künstlicher Muskeln (PAMs). Der erste Typ hat eine einzelne Blase, die von einer geflochtenen Hülse umgeben ist, und der zweite Typ hat eine Doppelblase.

Einzelne Blase umgeben von einer geflochtenen Hülle
Pneumatische künstliche Muskeln sind zwar leicht und kostengünstig, stellen jedoch ein besonders schwieriges Steuerungsproblem dar, da sie sowohl hochgradig nichtlinear sind als auch Eigenschaften wie die Temperatur haben, die mit der Zeit erheblich schwanken. PAMs bestehen im Allgemeinen aus Gummi- und Kunststoffkomponenten. Wenn diese Teile während der Betätigung miteinander in Kontakt kommen, steigt die Temperatur des PAM an, was letztendlich zu dauerhaften Änderungen in der Struktur des künstlichen Muskels führt. Dieses Problem hat zu einer Vielzahl experimenteller Ansätze geführt. Zusammenfassend (bereitgestellt von Ahn et al.) Umfassen praktikable experimentelle Kontrollsysteme die PID-Kontrolle, die adaptive Kontrolle (Lilly, 2003), die nichtlineare optimale prädiktive Kontrolle (Reynolds et al., 2003), die variable Strukturkontrolle (Repperger et al., 1998) Medrano-Cerda et al., 1995), Gain Scheduling (Repperger et al., 1999) und verschiedene Soft-Computing-Ansätze einschließlich neuronaler Netzwerk-Kohonen-Trainingsalgorithmus-Steuerung (Hesselroth et al., 1994), neuronales Netzwerk / nichtlineare PID-Steuerung ( Ahn und Thanh, 2005) und neuro-fuzzy / genetische Kontrolle (Chan et al., 2003; Lilly et al., 2003).

Kontrollprobleme bei stark nichtlinearen Systemen wurden im Allgemeinen durch einen Trial-and-Error-Ansatz angegangen, durch den “Fuzzy-Modelle” (Chan et al., 2003) der Verhaltenskapazitäten des Systems untersucht werden konnten (anhand der experimentellen Ergebnisse des spezifischen Systems) von einem sachkundigen menschlichen Experten getestet werden. Einige Forschungen haben jedoch “echte Daten” (Nelles O., 2000) verwendet, um die Genauigkeit eines gegebenen Fuzzy-Modells zu trainieren, während gleichzeitig die mathematischen Komplexitäten vorheriger Modelle vermieden werden. Das Experiment von Ahn et al. Ist einfach ein Beispiel für kürzlich durchgeführte Experimente, bei denen mithilfe von modifizierten genetischen Algorithmen (MGAs) Fuzzy-Modelle mit experimentellen Eingabe-Ausgabedaten eines PAM-Roboterarms trainiert werden.

Doppelte Blase
Dieser Aktuator besteht aus einer äußeren Membran mit einer inneren flexiblen Membran, die das Innere des Muskels in zwei Teile unterteilt. Eine Sehne ist an der Membran befestigt und tritt durch einen Ärmel aus dem Muskel aus, so dass sich die Sehne in den Muskel zusammenziehen kann. Ein Schlauch lässt Luft in die innere Blase eindringen, die dann in die äußere Blase hineinrollt. Ein entscheidender Vorteil dieser Art des pneumatischen Muskels ist, dass die Blase möglicherweise nicht reibschlüssig gegen eine äußere Hülse bewegt wird.

Wärmesteuerung
Die künstlichen SMA-Muskeln sind leicht und nützlich bei Anwendungen, die viel Kraft und Bewegung erfordern, stellen jedoch auch besondere Kontrollherausforderungen. Die künstlichen SMA-Muskeln sind nämlich durch ihre hysteretischen Input-Output-Beziehungen und Bandbreitenbeschränkungen begrenzt. Wie Wen et al. Diskutieren Sie, dass das Phänomen der SMA-Phasentransformation insofern “hysteretisch” ist, als der resultierende SMA-Strang von der Geschichte seines Wärmeeintrags abhängig ist. In Bezug auf die Bandbreitenbeschränkungen ist die dynamische Reaktion eines SMA-Stellglieds während hysteretischer Phasentransformationen aufgrund der Zeit, die die Wärme benötigt, um auf den künstlichen SMA-Muskel zu übertragen, sehr langsam. In Bezug auf die SMA-Kontrolle wurde aufgrund von Annahmen, die SMA-Anwendungen als statische Geräte betrachten, kaum Forschung betrieben. Trotzdem wurde eine Vielzahl von Kontrollansätzen getestet, um das Kontrollproblem der hysteretischen Nichtlinearität anzugehen.

Im Allgemeinen erfordert dieses Problem die Anwendung einer Kompensation im offenen Regelkreis oder einer Rückkopplungsregelung. Was die Steuerung mit offenem Regelkreis anbelangt, wurde das Preisach-Modell häufig aufgrund seiner einfachen Struktur und seiner Fähigkeit zur einfachen Simulation und Steuerung verwendet (Hughes und Wen, 1995). Bei der Regelung mit geschlossenem Regelkreis wurde ein auf Passivität basierender Ansatz verwendet, der die Stabilität des geschlossenen SMA-Regelkreises analysiert (Madill und Wen, 1994). Die Studie von Wen et al. Liefert ein weiteres Beispiel für eine Rückkopplungsregelung mit geschlossenem Regelkreis, die die Stabilität der Regelung mit geschlossenem Regelkreis in SMA-Anwendungen demonstriert, indem eine Kombination aus Kraftrückkopplungssteuerung und Positionssteuerung auf einen flexiblen Aluminiumträger angewendet wird, der von einem SMA aus betätigt wird Nitinol.

Anwendungen
Künstliche Muskeltechnologien bieten breite Anwendungsmöglichkeiten in biomimetischen Maschinen, einschließlich Robotern, industriellen Stellgliedern und angetriebenen Exoskeletten. EAP-basierte künstliche Muskeln bieten eine Kombination aus geringem Gewicht, niedrigem Kraftbedarf, Belastbarkeit und Beweglichkeit für die Fortbewegung und Manipulation. Zukünftige EAP-Geräte werden Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie, in der Medizin, Robotik, Artikulationsmechanismen, Unterhaltung, Animation, Spielzeug, Bekleidung, haptischen und taktilen Schnittstellen, Lärmschutz, Schallwandlern, Stromgeneratoren und intelligenten Strukturen haben.

Pneumatische künstliche Muskeln bieten im Vergleich zu herkömmlichen Pneumatikzylindern auch mehr Flexibilität, Steuerbarkeit und Leichtigkeit. Bei den meisten PAM-Anwendungen werden McKibben-artige Muskeln verwendet. Thermoaktuatoren wie SMAs weisen verschiedene militärische, medizinische, Sicherheits- und Roboteranwendungen auf und könnten darüber hinaus zur Erzeugung von Energie durch mechanische Formänderungen verwendet werden.