Músculo artificial é um termo genérico usado para atuadores, materiais ou dispositivos que imitam o músculo natural e podem contrair, expandir ou girar reversivelmente dentro de um componente devido a um estímulo externo (como voltagem, corrente, pressão ou temperatura). As três respostas básicas de atuação – contração, expansão e rotação – podem ser combinadas em um único componente para produzir outros tipos de movimento (por exemplo, flexão, contraindo um lado do material e expandindo o outro lado). Motores convencionais e atuadores lineares ou rotativos pneumáticos não se qualificam como músculos artificiais, pois há mais de um componente envolvido na atuação.

Devido à sua alta flexibilidade, versatilidade e relação peso-potência, em comparação com os tradicionais atuadores rígidos, os músculos artificiais têm o potencial de ser uma tecnologia emergente altamente disruptiva. Embora atualmente em uso limitado, a tecnologia pode ter amplas aplicações futuras na indústria, medicina, robótica e muitos outros campos.

visão global
Estes incluem não apenas aqueles que imitam a estrutura real do músculo animal pela biotecnologia, mas também atuadores que geram energia ao mudar o estado consumindo energia elétrica, magnética ou química.

Existem vários tipos de músculos artificiais, tais como tipo piezoeléctrico, liga de memória de forma, tipo electrostático, tipo pneumático e semelhantes, mas recentemente, aqueles que utilizam polímeros tais como resina sintética atraem a atenção. Diz-se que é um actuador suave, porque o material a ser usado é macio, o movimento é flexível e também suporta forças externas.

No dispositivo mecânico, existe uma tendência para produzir um momento predeterminado em relação à energia de entrada, mas se existir alguma restrição fisicamente, a barreira ou o próprio dispositivo mecânico serão danificados. No músculo artificial, embora o exercício seja realizado com uma certa largura em relação à energia de entrada, ao mesmo tempo em que uma força é entrada do exterior ou um momento predeterminado não pode ser exibido, esta própria unidade de potência gera um impulso excessivo a forma de distorção Acredita-se que ela tenha a função de impedir a absorção, destruição do equipamento e danos ao objeto.

Estas fontes de energia “suaves” podem temporariamente colocar energia que o torque mecânico é excessivamente consumido devido ao atrito dentro e fora do mecanismo, na forma de elasticidade, então desenvolvemos um dispositivo mais eficiente Além do fato de que elementos e estruturas da máquina não gerar energia, mas o material em si é uma fonte de energia, pode-se dizer que é útil para a miniaturização do dispositivo.

No entanto, a partir de 2010, quanto aos materiais utilizados como músculos artificiais, muitos materiais piezoelétricos e poliméricos estão em fase de desenvolvimento e pesquisa, muitos não podem ser produzidos em massa a baixo custo • Não é possível converter energia de entrada em aplicações de momentum para produtos vendidos como produtos geralmente utilizáveis ​​são limitados, devido à baixa eficiência de conversão e problemas de resistência à pressão / durabilidade, parece que leva tempo para se disseminar. A função como atuador pode ser alcançada aplicando o princípio de motor compacto disponível comercialmente, motor linear (incluindo motor de bobina de voz) etc., isso pode ser usado como produtos existentes baratos disponíveis como módulos Os produtos que os usam são comuns porque podem.

Comparação com músculos naturais
Embora não haja uma teoria geral que permita a comparação de atuadores, existem “critérios de potência” para tecnologias musculares artificiais que permitem a especificação de novas tecnologias de atuadores em comparação com as propriedades musculares naturais. Em resumo, os critérios incluem estresse, tensão, taxa de deformação, ciclo de vida e módulo de elasticidade. Alguns autores consideraram outros critérios (Huber et al., 1997), como densidade de atuadores e resolução de deformações. A partir de 2014, as fibras musculares artificiais mais poderosas existentes podem oferecer um aumento de cem vezes no poder sobre comprimentos equivalentes de fibras musculares naturais.

Os pesquisadores medem a velocidade, densidade de energia, potência e eficiência dos músculos artificiais; Nenhum tipo de músculo artificial é o melhor em todas as áreas.

Tipos
Os músculos artificiais podem ser divididos em três grupos principais com base em seu mecanismo de atuação.

Atuação em campo elétrico
Polímeros eletroativos (EAPs) são polímeros que podem ser acionados através da aplicação de campos elétricos. Atualmente, os EAPs mais proeminentes incluem polímeros piezoelétricos, atuadores dielétricos (DEAs), elastômeros eletro-enxertais de enxerto, elastômeros de cristal líquido (LCE) e polímeros ferroelétricos. Embora esses EAPs possam ser dobrados, suas baixas capacidades de movimento de torque atualmente limitam sua utilidade como músculos artificiais. Além disso, sem um material padrão aceito para criar dispositivos EAP, a comercialização permaneceu impraticável. No entanto, progressos significativos foram feitos na tecnologia EAP desde a década de 1990.

Atuação baseada em íons
EAPs iônicos são polímeros que podem ser acionados através da difusão de íons em uma solução eletrolítica (além da aplicação de campos elétricos). Exemplos atuais de polímeros iônicos eletroativos incluem géis de polieletrodos, compósitos metálicos de polímeros ionoméricos (IPMC), polímeros condutores e fluidos eletroreológicos (ERF). Em 2011, foi demonstrado que os nanotubos de carbono trançado também poderiam ser acionados pela aplicação de um campo elétrico.

Atuação de energia elétrica
Os polímeros trançados e enrolados (TCP) também conhecidos como polímero superenrolado (SCP) são polímeros em espiral que podem ser acionados por energia elétrica. Um músculo TCP parece uma mola helicoidal. Músculos TCP geralmente são feitos de nylon revestido de prata. O músculo TCP também pode ser feito de outro revestimento de condutância elétrica, como o ouro. Os músculos do TCP devem estar sob carga para manter o músculo estendido. A energia elétrica se transforma em energia térmica devido à resistência elétrica, também conhecida como aquecimento Joule, aquecimento ôhmico e aquecimento resistivo. À medida que a temperatura do músculo TCP aumenta pelo aquecimento de Joule, o polímero se contrai e causa a contração muscular.

Atuação Pneumática
Músculos artificiais pneumáticos (PAMs) operam enchendo uma bexiga pneumática com ar pressurizado. Ao aplicar pressão de gás na bexiga, ocorre expansão de volume isotrópico, mas é confinada por fios trançados que envolvem a bexiga, traduzindo a expansão de volume para uma contração linear ao longo do eixo do atuador. Os PAMs podem ser classificados por sua operação e design; ou seja, os PAMs possuem operação pneumática ou hidráulica, operação de sobrepressão ou subpressão, membranas trançadas / em rede ou embutidas e membranas de alongamento ou rearranjo de membranas. Entre os PAMs mais comumente usados ​​hoje em dia está um músculo cilíndrico trançado conhecido como McKibben Muscle, desenvolvido pela primeira vez por JL McKibben na década de 1950.

Atuação térmica

Linha de pesca
Músculos artificiais construídos a partir de linha de pesca comum e linha de costura podem levantar 100 vezes mais peso e gerar 100 vezes mais energia do que um músculo humano do mesmo comprimento e peso.

Os músculos artificiais baseados na linha de pesca já custam menos que a libra (por libra) do que a liga de memória de forma ou o fio de nanotubo de carbono; mas atualmente tem uma eficiência relativamente fraca.

Macromoléculas individuais são alinhadas com a fibra em fibras de polímero comercialmente disponíveis. Ao enrolá-los em bobinas, os pesquisadores produzem músculos artificiais que se contraem em velocidades semelhantes às dos músculos humanos.

Uma fibra de polímero (sem torção), como linha de pesca de polietileno ou linha de costura de nylon, ao contrário da maioria dos materiais, encurta quando aquecida – até cerca de 4% para um aumento de 250 K na temperatura. Ao torcer a fibra e enrolar a fibra torcida em uma bobina, o aquecimento faz com que a bobina se aperte e encurte em até 49%. Os pesquisadores descobriram uma outra maneira de enrolar a bobina de tal forma que o aquecimento faz com que a bobina aumente em 69%.

Uma aplicação dos músculos artificiais ativados termicamente é abrir e fechar automaticamente as janelas, respondendo à temperatura sem usar energia.

Músculos artificiais minúsculos compostos de nanotubos de carbono trançado preenchidos com parafina são 200 vezes mais fortes que o músculo humano.

Ligas com memória de forma
As ligas com memória de forma (SMAs), os elastômeros líquidos cristalinos e as ligas metálicas que podem ser deformadas e depois devolvidas à sua forma original quando expostas ao calor, podem funcionar como músculos artificiais. Músculos artificiais baseados em atuadores térmicos oferecem resistência ao calor, resistência a impactos, baixa densidade, alta resistência à fadiga e grande geração de força durante mudanças de formato. Em 2012, foi demonstrada uma nova classe de músculos artificiais ativados por campo elétrico, isentos de eletrólitos, denominados “atuadores de fios torcidos”, com base na expansão térmica de um material secundário dentro da estrutura torcida condutiva do músculo. Também foi demonstrado que uma fita de dióxido de vanádio em espiral pode girar e destorcer a uma velocidade máxima de torção de 200.000 rpm.

Músculo artificial usando polímero
Polímero Eletricamente Responsivo (versão em Inglês) (Polímeros Eletroativos: EAP)
Filme Polimérico Condutor Iônico (ICPF: Filme Polimérico Condutor Iônico)
Em 1991, foi inventado por Keisuke Oguchi (Instituto de Pesquisa de Tecnologia Industrial de Osaka, Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada, ex-AIST) e outros.
Metal nobre (ouro, platina) banhado sem eletrodos em ambos os lados do filme de ácido perfluoro sulfônico (PFS) e curvado em alta velocidade quando a tensão é aplicada a ambos os eletrodos laterais.

Músculo artificial usando pressão pneumática
Músculos artificiais pneumáticos (PAMs)
Tipo McKibben (músculo artificial)
Em 1961, foi desenvolvido por Joseph McKibben.
Tem a forma de um tubo de borracha coberto com fibra de nylon e contraído através da aplicação de ar comprimido no interior.
Robô de Origami – desenvolvido pelo Laboratório de Ciência da Computação e Inteligência Artificial do MIT (CSAIL). Músculo artificial que combina estrutura de origami e embalagem a vácuo. Ao puxar o ar para dentro da embalagem a vácuo, o papel dobrável interno também deforma o encaixe e torna-se um esqueleto.

Músculos artificiais usando eletricidade e magnetismo
Usando fluido eletrorrecorico
Usando fluido viscoso magnético (fluido magnetoreológico)
Usando atração eletrostática
Um atuador que utiliza força eletrostática, como “motor eletrostático de alta potência”, em pesquisa e desenvolvimento por Higuchi • Laboratório Yamamoto da Universidade de Tóquio, também pode ser aplicado como músculo artificial. Vídeos de polímeros eletroativos em ação

Fibra muscular CNT
Um músculo artificial estruturado para contrair, adicionando uma voltagem de cerca de 5 kV a um nanotubo de carbono processado, foi desenvolvido no Instituto de Pesquisa em Nanotecnologia da Universidade do Texas, em Dallas. O músculo artificial tem apenas uma densidade ligeiramente mais pesada que o ar, tem uma taxa rápida de contração e é 30 vezes mais potência por área do que o músculo biológico. (Note que não é particularmente forte em comparação com outros músculos artificiais que trinta vezes o músculo do corpo.

Sistemas de controle
Os três tipos de músculos artificiais têm diferentes restrições que afetam o tipo de sistema de controle de que necessitam para a atuação. É importante notar, no entanto, que os sistemas de controle são frequentemente projetados para atender às especificações de um determinado experimento, com alguns experimentos exigindo o uso combinado de uma variedade de diferentes atuadores ou um esquema de controle híbrido. Como tal, os exemplos a seguir não devem ser tratados como uma lista exaustiva da variedade de sistemas de controle que podem ser empregados para atuar em um determinado músculo artificial.

Controle de tensão
Os músculos de polímero trançado e enrolado (TCP) podem ser modelados por espaços de estado lineares invariantes no tempo de primeira ordem quando a entrada é de tensão elétrica, com precisão superior a 85%. Portanto, os músculos TCP podem ser facilmente controlados por um controlador PID digital. Um controlador fuzzy pode ser usado para acelerar o controlador PID.

Controle EAP
Os EAPs oferecem menor peso, resposta mais rápida, maior densidade de potência e operação mais silenciosa quando comparados aos atuadores tradicionais. Ambas as EAPs elétricas e iônicas são acionadas principalmente usando circuitos de controle de realimentação, mais conhecidos como sistemas de controle de malha fechada.

Controle pneumático
Atualmente existem dois tipos de músculos artificiais pneumáticos (PAMs). O primeiro tipo tem uma única bexiga rodeada por uma manga trançada e o segundo tipo tem uma bexiga dupla.

Bexiga única rodeada por uma manga trançada
Os músculos artificiais pneumáticos, embora leves e baratos, representam um problema de controle particularmente difícil, pois são altamente não-lineares e têm propriedades, como a temperatura, que flutuam significativamente com o tempo. Os PAMs geralmente consistem em componentes de borracha e plástico. Como essas partes entram em contato umas com as outras durante a atuação, a temperatura do PAM aumenta, levando a mudanças permanentes na estrutura do músculo artificial ao longo do tempo. Este problema levou a uma variedade de abordagens experimentais. Em resumo (fornecido por Ahn et al.), Sistemas de controle experimentais viáveis ​​incluem controle PID, controle adaptativo (Lilly, 2003), controle preditivo ótimo não-linear (Reynolds et al., 2003), controle de estrutura variável (Repperger et al., 1998 Medrano-Cerda et al., 1995), escalonamento de ganhos (Repperger et al., 1999) e várias abordagens computacionais suaves, incluindo controle de algoritmo de treinamento de Kohonen na rede neural (Hesselroth et al., 1994), controle de rede neural / PID não linear Ahn e Thanh, 2005) e controle neuro-difuso / genético (Chan et al., 2003; Lilly et al., 2003).

Os problemas de controle de sistemas altamente não-lineares foram geralmente abordados por meio de uma abordagem de tentativa e erro através da qual os “modelos difusos” (Chan et al., 2003) das capacidades comportamentais do sistema poderiam ser extraídos (dos resultados experimentais do sistema específico). sendo testado) por um especialista humano experiente. No entanto, algumas pesquisas empregaram “dados reais” (Nelles O., 2000) para treinar a precisão de um determinado modelo difuso, evitando simultaneamente as complexidades matemáticas de modelos anteriores. O experimento de Ahn et al. É simplesmente um exemplo de experimentos recentes que usam algoritmos genéticos modificados (MGAs) para treinar modelos difusos usando dados experimentais de entrada-saída de um braço robótico PAM.

Bexiga dupla
Este atuador consiste em uma membrana externa com uma membrana interna flexível dividindo o interior do músculo em duas partes. Um tendão é preso à membrana e sai do músculo através de uma manga para que o tendão possa contrair no músculo. Um tubo permite a entrada de ar na bexiga interna, que então se espalha para a bexiga externa. Uma vantagem importante deste tipo de músculo pneumático é que não há movimento potencialmente fricto da bexiga contra uma manga externa.

Controle térmico
Os músculos artificiais da AMS, embora leves e úteis em aplicações que exigem grande força e deslocamento, também apresentam desafios específicos de controle; ou seja, os músculos artificiais da SMA são limitados por suas relações histeréticas de entrada-saída e limitações de largura de banda. Como Wen et al. discutir, o fenômeno de transformação de fase da SMA é “histerético”, na medida em que a cadeia de saída SMA resultante é dependente da história de sua entrada de calor. Quanto às limitações de largura de banda, a resposta dinâmica de um atuador SMA durante as transformações da fase histerética é muito lenta devido à quantidade de tempo necessária para o calor ser transferido para o músculo artificial da SMA. Muito pouca pesquisa foi conduzida sobre o controle de SMA devido a suposições que consideram as aplicações de SMA como dispositivos estáticos; no entanto, várias abordagens de controle foram testadas para abordar o problema de controle da não-linearidade histerética.

Geralmente, esse problema exigiu a aplicação de compensação de malha aberta ou controle de feedback de malha fechada. Em relação ao controle de malha aberta, o modelo Preisach tem sido freqüentemente usado por sua estrutura simples e capacidade de fácil simulação e controle (Hughes e Wen, 1995). Quanto ao controle em malha fechada, uma abordagem baseada em passividade analisando a estabilidade de circuito fechado da SMA tem sido usada (Madill e Wen, 1994). O estudo de Wen et al. Fornece outro exemplo de controle de realimentação em malha fechada, demonstrando a estabilidade do controle em malha fechada em aplicações SMA através da aplicação de uma combinação de controle de realimentação de força e controle de posição em um feixe de alumínio flexível acionado por um SMA Nitinol.

Aplicações
As tecnologias musculares artificiais têm amplo potencial de aplicação em máquinas biomiméticas, incluindo robôs, atuadores industriais e exoesqueletos elétricos. Os músculos artificiais baseados em EAP oferecem uma combinação de peso leve, baixo consumo de energia, resiliência e agilidade para locomoção e manipulação. Os futuros dispositivos EAP terão aplicações na indústria aeroespacial, automotiva, medicina, robótica, mecanismos de articulação, entretenimento, animação, brinquedos, vestuário, interfaces táteis e hápticas, controle de ruído, transdutores, geradores de energia e estruturas inteligentes.

Os músculos artificiais pneumáticos também oferecem maior flexibilidade, controlabilidade e leveza em comparação aos cilindros pneumáticos convencionais. A maioria dos pedidos de PAM envolve a utilização de músculos semelhantes a McKibben. Os atuadores térmicos, como os SMAs, possuem várias aplicações militares, médicas, de segurança e robóticas, além de poderem ser usados ​​para gerar energia por meio de mudanças mecânicas na forma.