Искусственный мускул — это общий термин, используемый для приводов, материалов или устройств, которые имитируют естественную мышцу и могут реверсивно сжиматься, расширяться или вращаться внутри одного компонента из-за внешнего раздражителя (например, напряжения, тока, давления или температуры). Три основных реакции срабатывания — сжатие, расширение и вращение — могут быть объединены вместе в одном компоненте для создания других типов движений (например, изгиб путем сжимания одной стороны материала при расширении другой стороны). Обычные двигатели и пневматические линейные или поворотные приводы не квалифицируются как искусственные мышцы, потому что в приведении в действие участвует более одного компонента.

Благодаря своей высокой гибкости, универсальности и соотношению мощности к весу по сравнению с традиционными жесткими приводами, искусственные мышцы могут стать чрезвычайно разрушительной технологией. Хотя в настоящее время в ограниченном использовании технология может иметь широкие будущие приложения в промышленности, медицине, робототехнике и многих других областях.

обзор
К ним относятся не только те, которые имитируют фактическую структуру мышечной массы биотехнологией, но и приводы, которые генерируют энергию, изменяя состояние, потребляя электрическую, магнитную или химическую энергию.

Существуют различные типы искусственных мышц, таких как пьезоэлектрический тип, сплав с памятью формы, электростатический тип, пневматический тип и т. П., Но в последнее время привлекают внимание те, кто использует полимер, такой как синтетическая смола. Говорят, что это мягкий привод, потому что материал, который будет использоваться, является мягким, движение является гибким, а также поддерживает внешние силы.

В механическом устройстве существует тенденция выводить заданный импульс по отношению к входной энергии, но если физическое существование какого-либо ограничения будет нарушено, барьер или само механическое устройство будут повреждены. В искусственной мышце, хотя осуществление осуществляется с определенной шириной по отношению к входной энергии, в то же время, когда сила вводится снаружи или заданный импульс не может быть выставлен, этот сам блок питания генерирует избыточный импульс в форма искажения Считается, что он имеет функцию предотвращения поглощения, разрушения оборудования и повреждения объекта.

Эти «мягкие» источники питания могут временно налагать энергию на то, что механический крутящий момент чрезмерно потребляется из-за трения внутри и снаружи механизма, в форме эластичности, поэтому мы разработали более эффективное устройство. Помимо того, что элементы и конструкции машины не генерировать энергию, но сам материал является источником питания, можно сказать, что он полезен для миниатюризации устройства.

Однако с 2010 года, как и для материалов, используемых в качестве искусственных мышц, многие пьезоэлектрические и полимерные материалы находятся на стадии разработки и исследования, многие из них не могут быть массово произведены по низкой цене. • Невозможно преобразовать входную энергию в импульс. Приложения к продукты, продаваемые как обычно используемые продукты, ограничены из-за низкой эффективности преобразования и проблем со стойкостью к давлению / долговечности, кажется, что для распространения требуется время. Функция в качестве исполнительного устройства может быть достигнута путем применения принципа коммерчески доступного компактного двигателя, линейного двигателя (в том числе двигателя звуковой катушки) и т. Д., Это можно использовать в качестве недорогих существующих продуктов, доступных в виде модулей. Продукты, которые используют их, являются основными, потому что они могут.

Сравнение с естественными мышцами
Хотя нет общей теории, позволяющей сравнивать приводы, существуют «критерии мощности» для искусственных мышечных технологий, которые позволяют специфицировать новые технологии приводов по сравнению с природными мускульными свойствами. Таким образом, критерии включают напряжение, деформацию, скорость деформации, срок службы и модуль упругости. Некоторые авторы рассмотрели другие критерии (Huber et al., 1997), такие как плотность привода и разрешение деформации. С 2014 года самые мощные искусственные мышечные волокна могут обеспечить стократное увеличение мощности над эквивалентными длинами натуральных мышечных волокон.

Исследователи измеряют скорость, плотность энергии, мощность и эффективность искусственных мышц; ни один тип искусственной мышцы не является лучшим во всех областях.

Типы
Искусственные мышцы можно разделить на три основные группы, основанные на их механизме срабатывания.

Приведение электрического поля
Электроактивные полимеры (EAP) представляют собой полимеры, которые могут приводиться в действие посредством применения электрических полей. В настоящее время наиболее видными EAP являются пьезоэлектрические полимеры, диэлектрические приводы (DEA), электрострикционные эластомеры, жидкие кристаллические эластомеры (LCE) и сегнетоэлектрические полимеры. Несмотря на то, что эти EAP можно изгибать, их малые мощности для крутящего момента в настоящее время ограничивают их полезность в качестве искусственных мышц. Более того, без принятого стандартного материала для создания устройств EAP коммерциализация оставалась непрактичной. Однако с 1990-х годов в технологии ПДООС достигнут значительный прогресс.

Ионное управление
Ионные EAP представляют собой полимеры, которые могут быть активированы путем диффузии ионов в растворе электролита (в дополнение к применению электрических полей). Текущие примеры ионных электроактивных полимеров включают полиэлектродные гели, иономерные полимерные металлические композиты (IPMC), проводящие полимеры и электрореологические жидкости (ERF). В 2011 году было продемонстрировано, что скрученные углеродные нанотрубки могут также приводиться в действие путем применения электрического поля.

Приведение в действие электропитания
Скрученные и спиральные полимерные (TCP) мышцы, также известные как сверхпрочный полимер (SCP), представляют собой спиральный полимер, который может приводиться в действие электрической энергией. Мускул TCP похож на спиральную пружину. Тренировочные мышцы обычно изготавливаются из нейлона с серебряным покрытием. Мышцы TCP также могут быть изготовлены из другого покрытия с электропроводностью, такого как золото. Мускулы TCP должны находиться под нагрузкой, чтобы поддерживать растяжение мышц. Электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию из-за электрического сопротивления, которое также известно как джоулево нагревание, омическое нагревание и резистивный нагрев. По мере того как температура мышц TCP увеличивается при нагревании Джоулем, полимер сжимается, и это вызывает сокращение мышц.

Пневматическое приведение в действие
Пневматические искусственные мышцы (PAM) работают, наполняя пневматический пузырь сжатым воздухом. При приложении давления газа к мочевому пузырю происходит изотропное расширение объема, но оно ограничено плетеными проводами, которые окружают пузырь, переводя объемное расширение на линейное сжатие вдоль оси исполнительного механизма. PAM можно классифицировать по их работе и дизайну; а именно, PAM имеют пневматическое или гидравлическое управление, избыточное давление или работу под давлением, плетеные / сетчатые или внедренные мембраны и растягивающие мембраны или перестраивающие мембраны. Среди наиболее часто используемых PAM сегодня — цилиндрическая плетеная мышца, известная как Musk McKibben, которая была впервые разработана JL McKibben в 1950-х годах.

Тепловое управление

Леска
Искусственные мышцы, изготовленные из обычной лески и швейной нитки, могут поднимать в 100 раз больше веса и вырабатывать в 100 раз больше энергии, чем человеческие мышцы одинаковой длины и веса.

Искусственные мышцы, основанные на леске, уже на порядок меньше (на фунт), чем сплав с памятью формы или углеродной нанотрубкой; но в настоящее время относительно низкая эффективность.

Отдельные макромолекулы выровнены с волокном в коммерчески доступных полимерных волокнах. Наматывая их на катушки, исследователи делают искусственные мышцы, которые сжимаются со скоростью, подобной человеческим мускулам.

A (раскрученное) полимерное волокно, такое как полиэтеленовая леска или нейлоновая швейная нить, в отличие от большинства материалов, сокращается при нагревании до около 4% для повышения температуры на 250 K. Закручивая волокно и наматывая закрученное волокно в катушку, нагрев затягивает катушку и сокращает ее до 49%. Исследователи обнаружили другой способ намотки катушки, так что нагрев увеличивает катушку на 69%.

Одним применением термически активированных искусственных мышц является автоматическое открытие и закрытие окон, реагирование на температуру без использования какой-либо мощности.

Крошечные искусственные мышцы, состоящие из скрученных углеродных нанотрубок, наполненных парафином, в 200 раз сильнее, чем человеческая мышца.

Сплавы с памятью формы
Пластинчатые сплавы (SMAs), жидкие кристаллические эластомеры и металлические сплавы, которые могут быть деформированы, а затем возвращены в исходную форму при воздействии тепла, могут функционировать как искусственные мышцы. Искусственные мышцы на основе теплового привода обеспечивают теплостойкость, ударопрочность, низкую плотность, высокую усталостную прочность и большую силу при изменении формы. В 2012 году был продемонстрирован новый класс активированных электрическим полем искусственных мышц, не содержащих электролит, называемых «витыми нитями», на основе теплового расширения вторичного материала в проводящей скрученной структуре мышцы. Было также продемонстрировано, что намотанная лента из диоксида ванадия может скручиваться и раскручиваться при максимальной скорости кручения 200 000 об / мин.

Искусственная мышца с использованием полимера
Электрический реактивный полимер (английская версия) (Electroactive Polymers: EAP)
Ионная проводящая полимерная пленка (ICPF: ионная проводящая полимерная пленка)
В 1991 году он был изобретен Keisuke Oguchi (Осакский научно-исследовательский институт промышленных технологий, Национальный институт передовых промышленных наук и технологий, бывший AIST) и другие.
Благородный металл (золото, платина), химически покрытый с обеих сторон пленки перфторсульфоновой кислоты (PFS), и изгиб с высокой скоростью, когда напряжение подается на оба боковых электрода.

Искусственная мышца с использованием пневматического давления
Пневматические искусственные мышцы (PAM)
Тип McKibben (искусственная мышца)
В 1961 году он был разработан Джозефом Маккиббеном.
Он имеет форму резиновой трубки, покрытой нейлоновым волокном, и сжимается сжатым воздухом внутри.
Origami Robot, разработанный MIT Computer Science и лабораторией искусственного интеллекта (CSAIL). Искусственные мышцы, сочетающие структуру оригами и вакуумную упаковку. Вытягивая воздух внутри вакуумной упаковки, внутренняя складная бумага также деформирует сцепление и становится скелетом.

Искусственные мышцы с использованием электричества и магнетизма
Использование электрореологической жидкости
Использование магнитной вязкой жидкости (магнитореологической жидкости)
Использование электростатического притяжения
В качестве искусственной мускулатуры также можно применять исполнительный механизм, использующий электростатическое усилие, например, «электростатический двигатель большой мощности» при исследованиях и разработках лаборатории Higuchi • Yamamoto Университета Токио. Видео электроактивных полимеров в действии

Мышечное волокно УНТ
В Научно-исследовательском институте нанотехнологий Техасского университета в Далласе была разработана искусственная мышца, структурированная с контрактом путем добавления напряжения около 5 кВ в обработанную углеродную нанотрубку. Искусственная мышца имеет лишь немного более тяжелую плотность, чем воздух, имеет быструю скорость сокращения и в 30 раз больше энергии на площадь, чем биологическая мышца. (Обратите внимание, что он не особенно силен по сравнению с другими искусственными мышцами, что в тридцать раз больше мышц тела.

Системы управления
Три типа искусственных мышц имеют различные ограничения, которые влияют на тип системы управления, которую они требуют для приведения в действие. Важно отметить, однако, что системы управления часто предназначены для соответствия спецификациям данного эксперимента, а некоторые эксперименты требуют совместного использования различных исполнительных механизмов или гибридной схемы управления. Таким образом, следующие примеры не должны рассматриваться как исчерпывающий список различных систем управления, которые могут быть использованы для приведения в действие данной искусственной мышцы.

Управление напряжением
Скрученные и спиральные полимерные (TCP) мышцы могут быть смоделированы линейными временными состояниями первого порядка при вводе электрического напряжения с точностью более 85%. Таким образом, мышцы TCP легко управляются цифровым ПИД-регулятором. Для ускорения ПИД-регулятора можно использовать нечеткий контроллер.

Контроль EAP
EAP предлагают более низкий вес, более быстрый отклик, более высокую плотность мощности и более тихую работу по сравнению с традиционными приводами. Как электрические, так и ионные EAP в основном управляются с использованием контуров управления обратной связью, более известных как системы управления с замкнутым контуром.

Пневматическое управление
В настоящее время существуют два типа пневматических искусственных мышц (PAM). Первый тип имеет единственный мочевой пузырь, окруженный плетеным рукавом, а второй тип имеет двойной пузырь.

Одиночный пузырь, окруженный плетеным рукавом
Пневматические искусственные мышцы, в то же время легкие и недорогие, представляют собой особенно сложную проблему контроля, так как они являются высоконелинейными и обладают свойствами, такими как температура, которые со временем значительно меняются. Пары обычно состоят из резиновых и пластмассовых компонентов. Поскольку эти части вступают в контакт друг с другом во время приведения в действие, температура ПАМ увеличивается, что в конечном итоге приводит к постоянным изменениям структуры искусственной мышцы с течением времени. Эта проблема привела к различным экспериментальным подходам. В заключение (предоставлено Ahn et al.) Жизнеспособные экспериментальные системы управления включают ПИД-контроль, адаптивный контроль (Lilly, 2003), нелинейный оптимальный прогнозный контроль (Reynolds et al., 2003), управление переменной структурой (Reppper et al., 1998) Medrano-Cerda et al., 1995), планирование получения (Reppperer et al., 1999) и различные подходы к компьютерному компьютеру, включая управление алгоритмом обучения нейронной сети Kohonen (Hesselroth et al., 1994), нейронную сеть / нелинейное ПИД-управление ( Ahn and Thanh, 2005) и нейро-нечеткого / генетического контроля (Chan et al., 2003; Lilly et al., 2003).

Проблемы управления высоко нелинейными системами, как правило, решались методом проб и ошибок, с помощью которых можно было бы дразнить «нечеткие модели» (Chan et al., 2003) поведенческих возможностей системы (из экспериментальных результатов конкретной системы будучи испытанным) опытным специалистом-человеком. Однако в некоторых исследованиях использовались «реальные данные» (Nelles O., 2000) для повышения точности данной нечеткой модели, одновременно избегая математических сложностей предыдущих моделей. Эксперимент Ан и др. — это просто один из примеров недавних экспериментов, в которых используются модифицированные генетические алгоритмы (MGA) для обучения нечетких моделей с использованием экспериментальных данных ввода-вывода от робота-манипулятора PAM.

Двойной пузырь
Этот привод состоит из внешней мембраны с внутренней гибкой мембраной, разделяющей внутреннюю часть мышцы на две части. Сухожилие прикрепляется к мембране и выходит из мышцы через рукав, так что сухожилие может сжиматься в мышце. Трубка позволяет воздуху во внутренний пузырь, который затем катится во внешний пузырь. Ключевым преимуществом пневматической мышцы этого типа является отсутствие потенциально фрикционного движения мочевого пузыря против наружного рукава.

Термический контроль
Искусственные мышцы SMA, в то же время легкие и полезные в приложениях, требующих большой силы и смещения, также представляют особые проблемы контроля; а именно, искусственные мышцы SMA ограничены их гистерезисными отношениями ввода-вывода и ограничениями пропускной способности. Как Wen et al. обсуждать, явление трансформации фазы SMA является «гистерезисным» в том смысле, что результирующая выходная SMA-цепь зависит от истории ее ввода тепла. Что касается ограничений пропускной способности, то динамический отклик привода SMA во время гистерезисных фазовых превращений очень медленный из-за количества времени, необходимого для передачи тепла искусственной мышце SMA. Очень мало исследований было проведено в отношении контроля SMA из-за допущений, которые рассматривают приложения SMA как статические устройства; тем не менее, были проверены различные подходы к управлению для решения проблемы управления гистерезисной нелинейностью.

Как правило, эта проблема требовала применения либо компенсации разомкнутого контура, либо контроля обратной связи с обратной связью. Что касается управления с разомкнутым контуром, модель Preisach часто использовалась для ее простой структуры и способности к простому моделированию и управлению (Hughes and Wen, 1995). Что касается управления с обратной связью, использовался пассивный подход, анализирующий стабильность SMA с замкнутым контуром (Madill and Wen, 1994). Исследование Wen и др. Дает еще один пример управления обратной связью с обратной связью, демонстрируя стабильность управления с замкнутым контуром в приложениях SMA посредством применения комбинации управления обратной связью по силе и управления положением на гибкой алюминиевой балке, приводимой в действие SMA, выполненной из нитиноловая.

Приложения
Искусственные мышечные технологии имеют широкое применение в биомиметических машинах, включая роботы, промышленные приводы и экзоскелеты с электроприводом. Искусственные мышцы, основанные на EAP, сочетают в себе легкий вес, требования к низкой мощности, упругость и ловкость для передвижения и манипуляции. Будущие устройства EAP будут иметь приложения в аэрокосмической, автомобильной промышленности, медицине, робототехнике, механизмах артикуляции, развлечениях, анимации, игрушках, одежде, тактильных и тактильных интерфейсах, управлении шумом, преобразователях, генераторах электроэнергии и интеллектуальных структурах.

Пневматические искусственные мышцы также обеспечивают большую гибкость, управляемость и легкость по сравнению с обычными пневматическими цилиндрами. Большинство применений PAM связаны с использованием мышц, подобных McKibben. Термоприводы, такие как SMA, имеют различные военные, медицинские, безопасные и роботизированные приложения, а также могут использоваться для генерирования энергии посредством механических изменений формы.