Músculo artificial es un término genérico utilizado para los actuadores, materiales o dispositivos que imitan al músculo natural y pueden contraerse, expandirse o rotar reversiblemente dentro de un componente debido a un estímulo externo (como voltaje, corriente, presión o temperatura). Las tres respuestas de actuación básicas (contracción, expansión y rotación) pueden combinarse juntas dentro de un solo componente para producir otros tipos de movimientos (por ejemplo, flexión, al contraer un lado del material mientras se expande el otro). Los motores convencionales y los actuadores neumáticos lineales o rotativos no califican como músculos artificiales, porque hay más de un componente involucrado en la actuación.

Debido a su alta flexibilidad, versatilidad y relación de potencia a peso en comparación con los actuadores rígidos tradicionales, los músculos artificiales tienen el potencial de ser una tecnología emergente altamente disruptiva. Aunque actualmente tiene un uso limitado, la tecnología puede tener amplias aplicaciones futuras en la industria, la medicina, la robótica y muchos otros campos.

Visión general
Estos incluyen no solo los que imitan la estructura muscular animal real mediante la biotecnología, sino también los actuadores que generan energía al cambiar el estado al consumir energía eléctrica, magnética o química.

Hay varios tipos de músculos artificiales como el tipo piezoeléctrico, la aleación con memoria de forma, el tipo electrostático, el tipo neumático y similares, pero recientemente, los que utilizan polímeros como la resina sintética atraen la atención. Se dice que es un actuador suave, porque el material que se utiliza es suave, el movimiento es flexible y también soporta fuerzas externas.

En el dispositivo mecánico, hay una tendencia a generar un momento predeterminado con respecto a la energía de entrada, pero si existe alguna restricción física, la barrera o el dispositivo mecánico en sí se dañará. En el músculo artificial, aunque el ejercicio se realiza con un cierto ancho con respecto a la energía de entrada, al mismo tiempo, cuando se ingresa una fuerza desde el exterior o no se puede exhibir un momento predeterminado, esta unidad de potencia en sí genera un momento excesivo. la forma de distorsión Se piensa que tiene la función de prevenir la absorción, la destrucción del equipo y el daño del objeto.

Estas fuentes de energía «blandas» pueden colocar temporalmente la energía que el par mecánico consume excesivamente debido a la fricción dentro y fuera del mecanismo, en forma de elasticidad, por lo que desarrollamos un dispositivo más eficiente Además del hecho de que los elementos y estructuras de la máquina no lo hacen genera energía, pero el material en sí es una fuente de energía, se puede decir que es útil para la miniaturización del dispositivo.

Sin embargo, a partir de 2010, en cuanto a los materiales utilizados como músculos artificiales, muchos de los materiales piezoeléctricos y poliméricos se encuentran en las etapas de desarrollo e investigación, muchos no pueden producirse en masa a bajo costo. • No es posible convertir la energía de entrada en momento. Los productos vendidos como productos de uso general son limitados, debido a la baja eficiencia de conversión y los problemas de resistencia a la presión / durabilidad, parece que lleva tiempo difundirse. La función como actuador se puede lograr aplicando el principio de motor compacto comercialmente disponible, motor lineal (incluyendo motor de bobina de voz), etc., esto se puede usar como productos existentes de bajo costo disponibles como módulos. Los productos que los utilizan son de uso general porque pueden hacerlo.

Comparación con los músculos naturales.
Si bien no existe una teoría general que permita comparar los actuadores, existen «criterios de potencia» para las tecnologías de músculos artificiales que permiten la especificación de nuevas tecnologías de actuadores en comparación con las propiedades musculares naturales. En resumen, los criterios incluyen el estrés, la tensión, la velocidad de deformación, la vida del ciclo y el módulo elástico. Algunos autores han considerado otros criterios (Huber et al., 1997), como la densidad del actuador y la resolución de tensión. A partir de 2014, las fibras musculares artificiales más poderosas que existen pueden ofrecer un aumento de potencia cien veces mayor que la longitud equivalente de las fibras musculares naturales.

Los investigadores miden la velocidad, la densidad de energía, el poder y la eficiencia de los músculos artificiales; Ningún tipo de músculo artificial es el mejor en todas las áreas.

Los tipos
Los músculos artificiales se pueden dividir en tres grupos principales en función de su mecanismo de actuación.

Actuacion de campo electrico
Los polímeros electroactivos (EAP) son polímeros que pueden activarse mediante la aplicación de campos eléctricos. Actualmente, los EAP más destacados incluyen polímeros piezoeléctricos, actuadores dieléctricos (DEA), elastómeros de injerto electroestrictivo, elastómeros de cristal líquido (LCE) y polímeros ferroeléctricos. Si bien estos EAP se pueden doblar, sus bajas capacidades para el movimiento de torsión actualmente limitan su utilidad como músculos artificiales. Además, sin un material estándar aceptado para crear dispositivos EAP, la comercialización no ha sido posible. Sin embargo, se ha logrado un progreso significativo en la tecnología EAP desde la década de 1990.

Actuación basada en iones
Los EAP iónicos son polímeros que pueden activarse a través de la difusión de iones en una solución de electrolito (además de la aplicación de campos eléctricos). Los ejemplos actuales de polímeros electroactivos iónicos incluyen geles de polielelectrodos, compuestos metálicos de polímeros ionoméricos (IPMC), polímeros conductores y fluidos electrorreológicos (ERF). En 2011, se demostró que los nanotubos de carbono trenzado también podrían activarse mediante la aplicación de un campo eléctrico.

Accion de energia electrica
Los músculos de polímero torcido y enrollado (TCP) también conocidos como polímero superenrollado (SCP) son polímeros enrollados que pueden ser accionados por energía eléctrica. Un músculo TCP parece un resorte helicoidal. Los músculos TCP generalmente están hechos de nylon recubierto de plata. El músculo TCP también puede estar hecho de otra capa de conductancia eléctrica como el oro. Los músculos TCP deben estar bajo una carga para mantener el músculo extendido. La energía eléctrica se transforma en energía térmica debido a la resistencia eléctrica, que también se conoce como calefacción Joule, calefacción óhmica y calefacción resistiva. A medida que la temperatura del músculo TCP aumenta por el calentamiento de Joule, el polímero se contrae y provoca la contracción muscular.

Actuacion neumatica
Los músculos artificiales neumáticos (PAM) funcionan al llenar una vejiga neumática con aire presurizado. Al aplicar presión de gas a la vejiga, se produce una expansión de volumen isotrópica, pero está confinada por cables trenzados que rodean la vejiga, traduciendo la expansión de volumen a una contracción lineal a lo largo del eje del actuador. Los PAM se pueden clasificar por su operación y diseño; a saber, los PAM incluyen operación neumática o hidráulica, operación de sobrepresión o presión baja, membranas trenzadas / con malla o incrustadas y membranas de estiramiento o membranas de reorganización. Entre los PAM más comúnmente usados ​​hoy en día se encuentra un músculo trenzado cilíndrico conocido como el Músculo McKibben, que fue desarrollado por primera vez por JL McKibben en la década de 1950.

Accion termica

Sedal
Los músculos artificiales construidos a partir de la línea de pesca ordinaria y el hilo de coser pueden levantar 100 veces más peso y generar 100 veces más poder que un músculo humano de la misma longitud y peso.

Los músculos artificiales basados ​​en la línea de pesca ya cuestan órdenes de magnitud menos (por libra) que la aleación de memoria de forma o el hilo de nanotubos de carbono; pero actualmente tienen una eficiencia relativamente pobre.

Las macromoléculas individuales se alinean con la fibra en fibras de polímero disponibles comercialmente. Al enrollarlos en bobinas, los investigadores crean músculos artificiales que se contraen a velocidades similares a los músculos humanos.

Una fibra de polímero (sin torcer), como la línea de pesca de polietileno o el hilo de coser de nylon, a diferencia de la mayoría de los materiales, se acorta cuando se calienta, hasta aproximadamente un 4% para un aumento de temperatura de 250 K Al torcer la fibra y enrollar la fibra torcida en una bobina, el calentamiento hace que la bobina se apriete y se acorte hasta en un 49%. Los investigadores encontraron otra forma de enrollar la bobina de manera que el calentamiento haga que la bobina se alargue en un 69%.

Una aplicación de los músculos artificiales activados térmicamente es abrir y cerrar las ventanas automáticamente, respondiendo a la temperatura sin usar energía.

Los diminutos músculos artificiales compuestos de nanotubos de carbono retorcidos llenos de parafina son 200 veces más fuertes que los músculos humanos.

Aleaciones con memoria de forma
Las aleaciones con memoria de forma (SMA, por sus siglas en inglés), elastómeros cristalinos líquidos y aleaciones metálicas que pueden deformarse y luego volver a su forma original cuando se exponen al calor, pueden funcionar como músculos artificiales. Los músculos artificiales basados ​​en actuadores térmicos ofrecen resistencia al calor, resistencia al impacto, baja densidad, alta resistencia a la fatiga y gran generación de fuerza durante los cambios de forma. En 2012, se demostró una nueva clase de músculos artificiales sin electrolito activados en el campo eléctrico llamados «accionadores de hilo retorcido», basados ​​en la expansión térmica de un material secundario dentro de la estructura retorcida conductora del músculo. También se ha demostrado que una cinta de dióxido de vanadio enrollada puede torcerse y desenrollarse a una velocidad de torsión máxima de 200,000 rpm.

Músculo artificial utilizando polímero.
Polímero sensible eléctrico (versión en inglés) (Polímeros electroactivos: EAP)
Película de polímero conductor iónico (ICPF: Película de polímero conductor de iónica)
En 1991, fue inventado por Keisuke Oguchi (Instituto de Investigación de Tecnología Industrial de Osaka, Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada, ex AIST) y otros.
Metal noble (oro, platino) chapado sin electricidad en ambos lados de la película de ácido perfluoro sulfónico (PFS), y se dobla a alta velocidad cuando se aplica voltaje a ambos electrodos laterales.

Músculo artificial utilizando presión neumática.
Músculos neumáticos artificiales (PAMs)
Tipo McKibben (músculo artificial)
En 1961, fue desarrollado por Joseph McKibben.
Tiene la forma de un tubo de goma cubierto con fibra de nylon y se contrae mediante la aplicación de aire comprimido en el interior.
Origami Robot – desarrollado por MIT Computer Science and Artificial Laboratory Laboratory (CSAIL). Músculo artificial combinando estructura de origami y envase al vacío. Al extraer el aire dentro del paquete de vacío, el papel de plegado interior también se deforma entrelazado y se convierte en un esqueleto.

Músculos artificiales utilizando electricidad y magnetismo.
Utilizando fluido electrorreológico.
Uso de fluido viscoso magnético (fluido magnetorreológico)
Usando la atracción electrostática
Un actuador que utiliza fuerza electrostática, como el «motor electrostático de alta potencia» en investigación y desarrollo realizado por Higuchi • El laboratorio Yamamoto de la Universidad de Tokio, también se puede aplicar como músculo artificial. Videos de Polímeros Electroactivos en Acción.

Fibra muscular CNT
Un músculo artificial estructurado para contraerse mediante la adición de un voltaje de aproximadamente 5 kV a un nanotubo de carbono procesado se desarrolló en el Instituto de Investigación de Nanotecnología de la Universidad de Texas en Dallas. El músculo artificial tiene una densidad ligeramente mayor que el aire, tiene una velocidad de contracción rápida y es 30 veces más potencia por área que el músculo biológico. (Tenga en cuenta que no es particularmente fuerte en comparación con otros músculos artificiales que treinta veces el músculo del cuerpo.

Sistemas de control
Los tres tipos de músculos artificiales tienen diferentes restricciones que afectan el tipo de sistema de control que requieren para la actuación. Sin embargo, es importante tener en cuenta que los sistemas de control a menudo están diseñados para cumplir con las especificaciones de un experimento dado, y algunos experimentos requieren el uso combinado de una variedad de diferentes actuadores o un esquema de control híbrido. Como tal, los siguientes ejemplos no deben tratarse como una lista exhaustiva de la variedad de sistemas de control que pueden emplearse para activar un músculo artificial dado.

Control de tensión
Los músculos de polímero torcido y enrollado (TCP) se pueden modelar mediante espacios de estado invariantes en el tiempo de primer orden cuando la entrada es voltaje eléctrico, con una precisión superior al 85%. Por lo tanto, los músculos TCP pueden controlarse fácilmente mediante un controlador PID digital. Se puede usar un controlador difuso para acelerar el controlador PID.

Control de EAP
Los EAP ofrecen un menor peso, una respuesta más rápida, una mayor densidad de potencia y un funcionamiento más silencioso en comparación con los actuadores tradicionales. Tanto los EAP eléctricos como los iónicos se activan principalmente mediante bucles de control de realimentación, más conocidos como sistemas de control de bucle cerrado.

Control neumatico
Actualmente hay dos tipos de músculos neumáticos artificiales (PAMs). El primer tipo tiene una vejiga única rodeada por un manguito trenzado y el segundo tipo tiene una vejiga doble.

Vejiga única rodeada por una manga trenzada.
Los músculos artificiales neumáticos, aunque ligeros y económicos, plantean un problema de control particularmente difícil ya que son altamente no lineales y tienen propiedades, como la temperatura, que fluctúan significativamente con el tiempo. Los PAM generalmente consisten en componentes de caucho y plástico. A medida que estas partes entran en contacto entre sí durante la activación, la temperatura de la PAM aumenta, lo que finalmente lleva a cambios permanentes en la estructura del músculo artificial a lo largo del tiempo. Este problema ha llevado a una variedad de enfoques experimentales. En resumen (proporcionado por Ahn et al.), Los sistemas de control experimental viables incluyen control PID, control adaptativo (Lilly, 2003), control predictivo óptimo no lineal (Reynolds et al., 2003), control de estructura variable (Repperger et al., 1998 ; Medrano-Cerda et al., 1995), programación de ganancias (Repperger et al., 1999) y varios enfoques de computación suave que incluyen control de algoritmo de entrenamiento de la red neural de Kohonen (Hesselroth et al., 1994), control de red neural / PID no lineal ( Ahn y Thanh, 2005), y control genético / neuro-difuso (Chan et al., 2003; Lilly et al., 2003).

Los problemas de control con respecto a los sistemas altamente no lineales generalmente se han abordado a través de un enfoque de prueba y error a través del cual los «modelos difusos» (Chan et al., 2003) de las capacidades de comportamiento del sistema podrían ser eliminados (a partir de los resultados experimentales del sistema específico). siendo probado) por un experto humano bien informado. Sin embargo, algunas investigaciones han empleado «datos reales» (Nelles O., 2000) para entrenar la precisión de un modelo difuso dado y al mismo tiempo evitar las complejidades matemáticas de los modelos anteriores. El experimento de Ahn et al. Es simplemente un ejemplo de experimentos recientes que utilizan algoritmos genéticos modificados (MGA) para entrenar modelos difusos utilizando datos experimentales de entrada-salida de un brazo de robot PAM.

Doble vejiga
Este actuador consiste en una membrana externa con una membrana flexible interna que divide el interior del músculo en dos porciones. Un tendón se fija a la membrana y sale del músculo a través de una manga para que el tendón pueda contraerse en el músculo. Un tubo permite que el aire entre en la vejiga interna, que luego se extiende hacia la vejiga externa. Una ventaja clave de este tipo de músculo neumático es que no hay movimiento de fricción potencial de la vejiga contra un manguito exterior.

Control termico
Los músculos artificiales de SMA, aunque ligeros y útiles en aplicaciones que requieren gran fuerza y ​​desplazamiento, también presentan desafíos de control específicos; a saber, los músculos artificiales de SMA están limitados por sus relaciones de entrada y salida histéricas y sus limitaciones de ancho de banda. Como Wen et al. discuta, el fenómeno de transformación de fase de SMA es «histerético» porque la hebra de SMA de salida resultante depende de la historia de su entrada de calor. En cuanto a las limitaciones de ancho de banda, la respuesta dinámica de un actuador de SMA durante las transformaciones de fase histeréticas es muy lenta debido a la cantidad de tiempo requerido para que el calor se transfiera al músculo artificial de SMA. Se han realizado muy pocas investigaciones sobre el control de SMA debido a suposiciones que consideran las aplicaciones de SMA como dispositivos estáticos; sin embargo, se han probado diversos enfoques de control para abordar el problema de control de la no linealidad histerética.

En general, este problema ha requerido la aplicación de una compensación de bucle abierto o un control de retroalimentación de bucle cerrado. Con respecto al control de bucle abierto, el modelo de Preisach se ha utilizado a menudo por su estructura simple y su capacidad para una fácil simulación y control (Hughes y Wen, 1995). En cuanto al control de bucle cerrado, se ha utilizado un enfoque basado en pasividad que analiza la estabilidad del bucle cerrado de SMA (Madill y Wen, 1994). El estudio de Wen et al. Proporciona otro ejemplo de control de retroalimentación de bucle cerrado, que demuestra la estabilidad del control de bucle cerrado en aplicaciones de SMA mediante la aplicación de una combinación de control de retroalimentación de fuerza y ​​control de posición en una viga de aluminio flexible accionada por un SMA hecho de Nitinol.

Aplicaciones
Las tecnologías de músculos artificiales tienen amplias aplicaciones potenciales en máquinas biomiméticas, incluidos robots, actuadores industriales y exoesqueletos con alimentación. Los músculos artificiales basados ​​en EAP ofrecen una combinación de peso ligero, bajos requisitos de potencia, resistencia y agilidad para la locomoción y la manipulación. Los futuros dispositivos EAP tendrán aplicaciones en la industria aeroespacial, automotriz, medicina, robótica, mecanismos de articulación, entretenimiento, animación, juguetes, ropa, interfaces táctiles y hápticas, control de ruido, transductores, generadores de energía y estructuras inteligentes.

Los músculos artificiales neumáticos también ofrecen una mayor flexibilidad, capacidad de control y ligereza en comparación con los cilindros neumáticos convencionales. La mayoría de las aplicaciones de PAM implican la utilización de músculos similares a McKibben. Los actuadores térmicos, como los SMA, tienen varias aplicaciones militares, médicas, de seguridad y robóticas y, además, podrían utilizarse para generar energía a través de cambios de forma mecánica.