인공 근육은 자연 근육을 모방하고 외부 자극 (예 : 전압, 전류, 압력 또는 온도)으로 인해 하나의 구성 요소 내에서 가역적으로 수축, 확장 또는 회전 할 수있는 액추에이터, 재료 또는 장치에 사용되는 일반적인 용어입니다. 수축, 팽창 및 회전의 세 가지 기본 작동 응답을 단일 구성 요소 내에서 함께 결합하여 다른 유형의 동작 (예 : 굽힘, 다른면을 확장하면서 재료의 한면을 축소 시킴)을 생성 할 수 있습니다. 기존의 모터 및 공압식 선형 또는 회전식 액추에이터는 인공 근육으로 간주되지 않습니다. 작동에 하나 이상의 구성 요소가 관련되어 있기 때문입니다.

기존의 경질 액추에이터와 비교하여 높은 유연성, 다양성 및 무게 대비 전력비로 인하여 인공 근육은 매우 파괴적인 신흥 기술이 될 가능성이 있습니다. 현재이 기술은 제한적인 용도로 사용되지만 산업, 의학, 로봇 공학 및 기타 여러 분야에서 광범위하게 응용 될 수 있습니다.

개요
여기에는 생명 공학에 의한 실제 동물 근육 구조를 모방하는 것뿐만 아니라 전기, 자기 또는 화학 에너지를 소비하여 상태를 변화시켜 동력을 발생시키는 액추에이터가 포함됩니다.

압전 형, 형상 기억 합금 형, 정전 형, 공압 형 등의 각종 인공 근육이 있지만 최근에는 합성수지 등의 고분자를 이용한 인공 근육이 주목 받고있다. 사용되는 재료가 부드럽고 운동이 유연하며 외부 힘도지지하기 때문에 부드러운 액추에이터라고합니다.

기계 장치에서는 입력 에너지에 대해 미리 결정된 운동량을 출력하는 경향이 있지만 일부 제한 사항이 실제로 존재하면 장벽이나 기계 장치 자체가 손상됩니다. 인공 근육은 운동이 입력 에너지에 대해 일정한 폭으로 수행 되나 동시에 외부에서 힘이 입력되거나 일정한 운동량을 나타낼 수없는 경우에도이 힘 자체는 과도한 운동량을 발생시킨다. 왜곡의 형태 장비의 흡수, 파괴, 물체의 손상을 방지하는 기능이 있다고 생각됩니다.

이러한 “부드러운”전원은 일시적으로 메커니즘의 내부와 외부의 마찰로 인해 기계적 토크가 과도하게 소비되는 에너지를 탄성의 형태로 배치 할 수 있으므로 더 효율적인 장치를 개발했습니다. 기계 요소와 구조는 전력을 발생 시키지만, 재료 자체가 동력원이기 때문에, 장치의 소형화에 유용하다고 말할 수있다.

그러나 2010 년 현재 인공 근육으로 사용되는 재료는 많은 압전 및 고분자 재료가 개발 및 연구 단계에 있으며 많은 제품을 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 없습니다. • 입력 에너지를 운동량으로 변환 할 수 없습니다. 일반적으로 사용 가능한 제품으로 판매되는 제품은 낮은 변환 효율과 내압 / 내구성 문제로 인해 보급하는 데 시간이 걸리는 것 같습니다. 시판되는 컴팩트 모터, 리니어 모터 (보이스 코일 모터 포함) 등의 원리를 적용하여 액추에이터로서의 기능을 실현할 수 있으며, 저렴한 가격으로 기존의 제품으로 사용할 수 있습니다.

자연 근육과의 비교
액추에이터를 비교할 수있는 일반 이론은 없지만 자연 근육 특성과 비교하여 새로운 액추에이터 기술을 지정할 수있는 인공 근육 기술의 “동력 기준”이 있습니다. 요약하면, 기준에는 응력, 변형률, 변형률 속도, 사이클 수명 및 탄성 계수가 포함됩니다. 일부 저자들은 작동기 밀도 및 변형률 분해능과 같은 다른 기준 (Huber et al., 1997)을 고려했습니다. 2014 년 현재 존재하는 가장 강력한 인조 근육 섬유는 자연 근육 섬유의 동등한 길이에 비해 100 배나 증가 할 수 있습니다.

연구원은 인공 근육의 속도, 에너지 밀도, 힘 및 효율성을 측정합니다. 어떤 유형의 인공 근육도 모든 분야에서 최고입니다.

유형
인공 근육은 작동 메커니즘에 따라 세 가지 주요 그룹으로 나눌 수 있습니다.

전계 작동
Electroactive polymer (EAPs)는 전계의인가를 통해 작동 될 수있는 폴리머입니다. 현재 압전 폴리머, 유전체 액추에이터 (DEA), 전기 왜곡 그래프트 엘라스토머, 액정 엘라스토머 (LCE) 및 강유전성 폴리머가 가장 눈에 띄는 EAP입니다. 이러한 EAP가 구부러 질 수는 있지만, 토크 운동에 대한 낮은 용량은 현재 인공 근육으로서의 유용성을 제한합니다. 또한 EAP 장치를 만들기위한 표준 자료가 없어도 상용화는 실용적이지 못합니다. 그러나 1990 년대 이후로 EAP 기술이 크게 발전했습니다.

이온 기반 구동
이온 성 EAP는 전해질 용액에서 이온의 확산을 통해 작동 될 수있는 폴리머입니다 (전기장의 적용 이외에). 이온 성 전기 활성 폴리머의 현재 예는 폴리 전극 젤, 아이오 노머 폴리머 금속 복합체 (IPMC), 전도성 폴리머 및 전기 유변 유체 (ERF)를 포함한다. 2011 년에는 꼬인 탄소 나노 튜브도 전기장을가함으로써 작동 될 수 있음이 입증되었습니다.

전력 작동
supercoiled polymer (SCP)라고도 불리는 twisted and coiled polymer (TCP) 근육은 전력에 의해 작동 될 수있는 감겨 진 폴리머입니다. 나선형 스프링과 같은 TCP 근육 모양. TCP 근육은 일반적으로은 코팅 된 나일론으로 만들어집니다. TCP 근육은 또한 금과 같은 다른 전기 전도성 코팅으로 만들 수 있습니다. TCP 근육은 근육을 확장시키기 위해 하중을 받아야합니다. 전기 에너지는 Joule heating, Ohmic heating 및 resistive heating으로도 알려진 전기 저항으로 인해 열에너지로 변환됩니다. 주울 (Joule) 가열로 TCP 근육의 온도가 상승함에 따라 고분자가 수축하여 근육 수축을 일으 킵니다.

공압 작동
공압 인공 근육 (PAM)은 공압 방광에 압축 공기를 채워 작동합니다. 방광에 가스 압력을 가하면 등방성 체적 팽창이 일어나지 만 방광을 둘러싸는 꼰 와이어로 제한되어 액츄에이터 축을 따라 선형 팽창으로 변환됩니다. PAM은 운영 및 디자인별로 분류 할 수 있습니다. 즉 PAM은 공압식 또는 유압식 작동, 과압 또는 저압 작동, 편조 / 그물 형 또는 내장형 멤브레인 및 스트레칭 멤브레인 또는 멤브레인 재배치를 특징으로합니다. 가장 일반적으로 사용되는 PAM 중에는 1950 년대 J. L. McKibben이 처음 개발 한 McKibben Muscle으로 알려진 원통형으로 꼰 근육이 있습니다.

열 활성화

낚싯줄
일반 낚시 줄과 재봉실로 만들어진 인공 근육은 같은 길이와 무게의 인간 근육보다 100 배나 더 많은 무게를 들며 100 배나 더 많은 힘을 낼 수 있습니다.

낚시 줄을 기반으로하는 인공 근육은 이미 형상 기억 합금 또는 탄소 나노 튜브 얀보다 크기가 작습니다 (파운드당). 현재 상대적으로 열악한 효율성을 가지고 있습니다.

개개의 거대 분자는 상업적으로 이용 가능한 중합체 섬유에서 섬유와 정렬된다. 연구원들은 그것을 코일로 감아 인공 근육을 만들어 인간 근육과 비슷한 속도로 수축시킵니다.

대부분의 재료와 달리 폴리에틸렌 낚싯줄이나 나일론 재봉사와 같은 (비틀린) 고분자 섬유는 250K의 온도 상승시 약 4 %까지 가열하면 짧아집니다. 섬유를 비틀고 꼬인 섬유를 코일에 감아 가열하면 코일이 조여지고 최대 49 %까지 단축됩니다. 연구자들은 가열로 코일이 69 % 길어 지도록 코일을 감을 다른 방법을 발견했다.

열 활성화 인공 근육의 한 응용 프로그램은 전원을 사용하지 않고 온도에 응답하여 창을 자동으로 열고 닫는 것입니다.

파라핀으로 채워진 꼬인 탄소 나노 튜브로 구성된 작은 인공 근육은 인간 근육보다 200 배 더 강합니다.

형상 기억 합금
형상 기억 합금 (SMA), 액체 엘라스토머 및 금속 합금은 변형 될 수 있고 열에 노출되면 원래 모양으로 돌아갈 수 있으며 인조 근육으로 기능 할 수 있습니다. 열 액츄에이터 기반의 인공 근육은 내열성, 내 충격성, 저밀도, 고 피로 강도 및 모양 변화 중에 큰 힘 발생을 제공합니다. 2012 년에는 전도체가 활성화되고 전해액이없는 인공 근육 인 “연사 액츄에이터 (twisted yarn actuators)”가 근육의 전도성 꼬인 구조 내 2 차 물질의 열팽창에 따라 시연되었습니다. 또한 코일 바나듐 디옥사이드 리본은 20 만 rpm의 최대 비틀림 속도에서 비틀림 및 비틀림이 가능함이 입증되었습니다.

고분자 인공 근육
전기 응답 성 폴리머 (영어 버전) (Electroactive Polymers : EAP)
이온 전도성 고분자 필름 (ICPF : Ionic Conducting Polymer Film)
1991 년에는 Oguchi Keisuke (오사카 산업 기술 연구소, 산업 기술 종합 연구소, 전 AIST) 등이 발명했습니다.
퍼플 루오로 술폰산 (PFS) 막의 양면에 귀금속 (금, 백금)을 무전 해 도금하고, 양면 전극에 전압을 가하면 고속으로 구부림.

공압을 이용한 인공 근육
공압 인공 근육 (PAM)
맥키 벤 유형 (인공 근육)
1961 년 Joseph McKibben이 개발했습니다.
나일론 섬유로 덮여 있고 압축 공기를 내부에 가하여 수축 된 고무 튜브 모양입니다.
종이 접기 로봇 – MIT 컴퓨터 과학 및 인공 지능 연구소 (CSAIL)에서 개발했습니다. 종이 접기 구조와 진공 팩을 결합한 인공 근육. 진공 포장지 내부의 공기를 빼내는 것으로 접이식 종이가 연동 변형되어 골격이됩니다.

전기와 자기를 이용한 인공 근육
전기 유변 유체 사용
자기 점성 유체 (자기 유변 유체)
정전기 인력 사용
히구치 (Higuchi)의 도쿄 대학 (University of Tokyo) 야마모토 연구소 (Yamamoto laboratory)의 연구 개발하에 “고전력 정전기 모터 (electrostatic power motor)”와 같은 정전기력을 이용하는 액추에이터는 인공 근육으로도 적용 할 수 있습니다. 행동중인 Electroactive Polymer의 비디오

CNT 근섬유
텍사스 대학교 (University of Texas)의 나노 기술 연구소 (Nanotechnology Research Institute)에서 처리 된 탄소 나노 튜브에 약 5 kV의 전압을 추가하여 수축되도록 구성된 인공 근육이 개발되었다. 인공 근육은 공기보다 약간 더 무거운 밀도를 가지고 있으며 수축 속도가 빠르며 생물 근육보다 면적 당 30 배 더 강력합니다. (30 번 몸 근육을 가진 다른 인공 근육에 비해 특히 강하지는 않습니다.

제어 시스템
세 종류의 인공 근육은 작동에 필요한 제어 시스템의 유형에 영향을 미치는 다른 구속 조건을 가지고 있습니다. 그러나 제어 시스템은 주어진 실험의 사양을 충족 시키도록 설계되는 경우가 많으며 여러 가지 다른 액추에이터 또는 하이브리드 제어 스키마를 조합하여 사용해야한다는 실험이 있습니다. 이와 같이, 다음 실시 예는 주어진 인공 근육을 작동시키는 데 사용될 수있는 다양한 제어 시스템의 철저한리스트로서 취급되어서는 안된다.

전압 제어
twisted and coiled polymer (TCP) 근육은 입력이 전압 일 때 1 차 선형 시간 불변 상태 공간으로 모델링 할 수 있으며 정확도는 85 % 이상입니다. 따라서 TCP 근육은 디지털 PID 컨트롤러로 쉽게 제어 할 수 있습니다. 퍼지 제어기를 사용하여 PID 제어기의 속도를 높일 수 있습니다.

EAP 제어
EAP는 전통적인 액추에이터와 비교할 때 가중치가 작고 응답이 빠르며 전력 밀도가 높으며 작동이 조용합니다. 전기 및 이온 EAP는 주로 폐쇄 루프 제어 시스템으로 더 잘 알려진 피드백 제어 루프를 사용하여 작동됩니다.

공압 제어
현재 공압 인공 근육 (PAM)에는 두 가지 유형이 있습니다. 첫 번째 유형에는 꼰 슬리브로 둘러싸인 단일 블래 더가 있고 두 번째 유형에는 이중 블래 더가 있습니다.

꼰 슬리브로 둘러싸인 단일 방광
공압 인공 근육은 가볍고 값이 비싸지 만 매우 비선형 적이기 때문에 온도와 같은 특성이 시간에 따라 크게 변동하기 때문에 특히 어려운 제어 문제를 야기합니다. PAM은 일반적으로 고무 및 플라스틱 구성 요소로 구성됩니다. 이 부분들이 작동하는 동안 서로 접촉하게되면, PAM의 온도가 상승하여 궁극적으로 시간이 지남에 따라 인공 근육의 구조가 영구적으로 변경됩니다. 이 문제는 다양한 실험 접근법을 이끌어 냈습니다. 요약하면 (Ahn et al.), 실행 가능한 실험 제어 시스템에는 PID 제어, 적응 제어 (Lilly, 2003), 비선형 최적 예측 제어 (Reynolds et al., 2003), 가변 구조 제어 (Repperger et al., 1998 신경망 / 비선형 PID 제어 (Hesselroth et al., 1994), 신경망 / 비선형 PID 제어 (Hesselroth et al., 1994), 신경망 / 비선형 PID 제어 (Medrano-Cerda 등, 1995), 이득 스케쥴링 (Repperger et al., 1999) Ahn and Thanh, 2005), 신경 – 퍼지 / 유전자 제어 (Chan et al., 2003; Lilly et al., 2003).

고도의 비선형 시스템에 관한 제어 문제는 일반적으로 시스템의 행동 능력에 대한 “퍼지 모델”(Chan et al., 2003)이 (특정 시스템의 실험 결과로부터 도출 될 수있는) 시행 착오 접근법을 통해 해결되었다 지식이 풍부한 전문가에 의해 시험되고있다. 그러나 일부 연구에서는 이전 모델의 수학적 복잡성을 피하면서 주어진 퍼지 모델의 정확성을 높이기 위해 “실제 데이터”(Nelles O., 2000)를 사용했습니다. Ahn 등의 실험은 PAM 로봇 팔의 실험 입출력 데이터를 사용하여 퍼지 모델을 훈련시키기 위해 수정 된 유전자 알고리즘 (MGA)을 사용한 최근 실험의 한 예일뿐입니다.

이중 방광
이 액추에이터는 근육의 내부를 두 부분으로 나누는 내부가요 성 멤브레인이있는 외부 멤브레인으로 구성됩니다. 힘줄은 막에 고정되어 있으며 힘줄이 근육에 수축 될 수 있도록 슬리브를 통해 근육을 빠져 나갑니다. 튜브는 내부 방광으로 공기를 넣은 다음 외부 방광으로 공기를 뿜어냅니다. 이 유형의 공압 근육의 주요 이점은 외 슬리브에 대한 방광의 잠재적 인 마찰 운동이 없다는 것입니다.

열 제어
SMA 인공 근육은 큰 힘과 변위를 필요로하는 응용 분야에서 경량이고 유용하지만 특정 제어 과제도 제시합니다. 즉, SMA 인공 근육은 히스테리시스 입력 – 출력 관계 및 대역폭 제한으로 인해 제한됩니다. Wen et al. 논의한 바에 따르면, SMA 상 변환 현상은 결과적인 출력 SMA 가닥이 열 입력의 이력에 의존한다는 점에서 “히스테리시스 (hysteretic)”현상입니다. 대역폭 제한과 관련하여 히스테리시스 위상 변환 동안 SMA 액추에이터의 동적 응답은 열이 SMA 인공 근육에 전달되는 데 필요한 시간으로 인해 매우 느립니다. SMA 애플리케이션을 정적 디바이스로 간주하는 가정 때문에 SMA 제어와 관련하여 거의 연구가 수행되지 않았습니다. 그럼에도 불구하고 히스테리시스 비선형 성의 제어 문제를 해결하기 위해 다양한 제어 접근법이 테스트되었습니다.

일반적으로이 문제는 개방 루프 보상 또는 폐쇄 루프 피드백 제어의 적용을 필요로합니다. 개 루프 제어와 관련하여 Preisach 모델은 간단한 구조와 쉬운 시뮬레이션 및 제어 기능으로 종종 사용되었습니다 (Hughes and Wen, 1995). 폐쇄 루프 제어와 관련하여 SMA 폐쇄 루프 안정성을 분석하는 수동성 기반 접근법이 사용되었습니다 (Madill 및 Wen, 1994). Wen et al.의 연구는 폐 루프 피드백 제어의 또 다른 예를 제공하며, SMA에 의해 작동되는 유연한 알루미늄 빔에 힘 피드백 제어와 위치 제어를 결합하여 SMA 애플리케이션에서 폐쇄 루프 제어의 안정성을 입증했습니다. 니티놀.

응용 프로그램
인공 근육 기술은 로봇, 산업용 액추에이터 및 외골격을 포함한 생체 모방 기계에서 광범위하게 응용 될 수 있습니다. EAP 기반의 인공 근육은 운동 및 조작을위한 경량, 저전력 요건, 탄력성 및 민첩성의 조합을 제공합니다. 미래의 EAP 장치는 우주 항공, 자동차 산업, 의학, 로봇 공학, 관절 메커니즘, 엔터테인먼트, 애니메이션, 장난감, 의류, 햅틱 및 촉각 인터페이스, 소음 제어, 트랜스 듀서, 발전기 및 스마트 구조물 분야의 애플리케이션을 보유하게 될 것입니다.

공압 인공 근육은 또한 기존의 공압 실린더에 비해 유연성, 제어 성 및 가벼움을 제공합니다. 대부분의 PAM 응용 프로그램에는 McKibben과 유사한 근육을 사용합니다. SMA와 같은 열 액추에이터는 다양한 군용, 의료, 안전 및 로봇 애플리케이션을 가지며 기계적 형상 변경을 통해 에너지를 생성하는 데 사용할 수도 있습니다.