Konstgjord muskel - Artificial muscle
Artificiella muskler , även känd som muskel -liknande ställdon , är material eller anordningar som efterliknar naturlig muskel och kan ändra sin styvhet, reversibelt kontrakt, expandera, eller rotera inom en komponent på grund av en yttre stimulans (såsom spänning, ström, tryck eller temperatur ). De tre grundläggande aktiveringssvaren - sammandragning, expansion och rotation kan kombineras inom en enda komponent för att producera andra typer av rörelser (t.ex. böjning, genom att dra ihop ena sidan av materialet medan den andra sidan expanderas). Konventionella motorer och pneumatiska linjära eller roterande manöverdon kvalificerar sig inte som konstgjorda muskler, eftersom det finns mer än en komponent involverad i aktiveringen.
På grund av deras höga flexibilitet, mångsidighet och kraft-till-vikt-förhållande jämfört med traditionella styva ställdon har konstgjorda muskler potential att vara en mycket störande framväxande teknik . Även om tekniken för närvarande är begränsad, kan tekniken ha stora framtida tillämpningar inom industri, medicin, robotik och många andra områden.
Jämförelse med naturliga muskler
Även om det inte finns någon allmän teori som gör det möjligt att jämföra ställdon, finns det "effektkriterier" för artificiella muskelteknologier som möjliggör specifikation av nya ställdonstekniker i jämförelse med naturliga muskulära egenskaper. Sammanfattningsvis inkluderar kriterierna stress , töjning , töjningshastighet , livslängd och elastisk modul . Vissa författare har övervägt andra kriterier (Huber et al., 1997), såsom ställdonstäthet och stamupplösning. Från och med 2014 kan de mest kraftfulla konstgjorda muskelfibrerna som existerar erbjuda hundrafaldig effektökning över ekvivalenta längder av naturliga muskelfibrer.
Forskare mäter hastigheten, energitätheten , kraften och effektiviteten hos konstgjorda muskler; ingen typ av artificiell muskel är den bästa på alla områden.
Typer
Konstgjorda muskler kan delas in i tre huvudgrupper baserat på deras aktiveringsmekanism.
Elektrisk fältmanövrering
Elektroaktiva polymerer (EAP) är polymerer som kan aktiveras genom applicering av elektriska fält. Närvarande, de mest framträdande EAPS inkluderar piezoelektriska polymerer, dielektriska ställdon (deas), elektrostriktiva transplantat elaster , flytande kristaller elastomerer (LCE) och ferroelektriska polymerer. Även om dessa EAP kan böjas, begränsar deras låga kapacitet för vridmoment för närvarande deras användbarhet som konstgjorda muskler. Utan ett accepterat standardmaterial för att skapa EAP -enheter har kommersialiseringen förblivit opraktisk. Emellertid har betydande framsteg gjorts inom EAP -tekniken sedan 1990 -talet.
Jonbaserad aktivering
Joniska EAP är polymerer som kan aktiveras genom diffusion av joner i en elektrolytlösning (förutom applicering av elektriska fält). Aktuella exempel på joniska elektroaktiva polymerer innefattar polyelektrodgeler, jonomera polymera metallkompositer (IPMC), ledande polymerer och elektrorheologiska vätskor (ERF). År 2011 visades det att vridna kolnanorör också kunde aktiveras genom att applicera ett elektriskt fält.
Pneumatisk aktivering
Pneumatiska konstgjorda muskler (PAM) fungerar genom att fylla en pneumatisk urinblåsa med tryckluft. Vid applicering av gastryck på blåsan uppträder isotrop volymexpansion, men begränsas av flätade trådar som omger blåsan, vilket översätter volymsexpansionen till en linjär sammandragning längs ställdonets axel. PAM kan klassificeras efter deras funktion och design; PAM har nämligen pneumatisk eller hydraulisk drift, övertryck eller undertryck, flätade/nätade eller inbäddade membran och stretchmembran eller omarrangemang. Bland de mest använda PAM -enheterna idag finns en cylindriskt flätad muskel som kallas McKibben -muskeln, som först utvecklades av JL McKibben på 1950 -talet.
Termisk aktivering
Fiskelinje
Konstgjorda muskler konstruerade av vanlig fiskelinje och sytråd kan lyfta 100 gånger mer vikt och generera 100 gånger mer kraft än en mänsklig muskel av samma längd och vikt.
Konstgjorda muskler baserade på fiskelinje kostar redan storleksordningar mindre (per pund) än formminneslegering eller kolnanorörsgarn; men har för närvarande relativt dålig effektivitet.
Enskilda makromolekyler är i linje med fibern i kommersiellt tillgängliga polymerfibrer . Genom att linda dem till spolar gör forskare konstgjorda muskler som drar ihop sig i hastigheter som liknar mänskliga muskler.
En (ovriden) polymerfiber, såsom fiskelina av polyeten eller sytråd i nylon, till skillnad från de flesta material, förkortas vid uppvärmning - upp till cirka 4% för en temperaturökning på 250 K. Genom att vrida fibern och linda den tvinnade fibern till en spole, orsakar uppvärmning spolen att stramas upp och förkortas med upp till 49%. Forskare hittade ett annat sätt att linda spolen så att uppvärmning gör att spolen förlängs med 69%.
En tillämpning av termiskt aktiverade konstgjorda muskler är att automatiskt öppna och stänga fönster, reagera på temperaturen utan att använda någon kraft.
Små konstgjorda muskler som består av vridna kolnanorör fyllda med paraffin är 200 gånger starkare än mänskliga muskler.
Formminneslegeringar
Formminneslegeringar (SMA), flytande kristallina elastomerer och metalllegeringar som kan deformeras och sedan återgå till sin ursprungliga form när de utsätts för värme, kan fungera som konstgjorda muskler. Termiska aktuatorbaserade konstgjorda muskler erbjuder värmebeständighet, slagmotstånd, låg densitet, hög trötthetsstyrka och stor kraftgenerering under formändringar. År 2012 demonstrerades en ny klass av elektriska fältaktiverade , elektrolytfria konstgjorda muskler som kallas "vridna garnaktuatorer", baserat på termisk expansion av ett sekundärt material inom muskelns ledande vridna struktur. Det har också visats att en lindad vanadindioxid band kan vrida och tvinnas vid en toppvridhastighet på 200 tusen varv per minut.
Kontrollsystem
De tre typerna av konstgjorda muskler har olika begränsningar som påverkar vilken typ av styrsystem de behöver för aktivering. Det är emellertid viktigt att notera att styrsystem ofta är utformade för att uppfylla specifikationerna för ett givet experiment, med vissa experiment som kräver kombinerad användning av en mängd olika ställdon eller ett hybridstyrschema. Som sådan bör följande exempel inte behandlas som en uttömmande lista över de olika kontrollsystem som kan användas för att aktivera en given artificiell muskel.
EAP -kontroll
Elektroaktiva polymerer (EAP) erbjuder lägre vikt, snabbare respons, högre effekttäthet och tystare drift jämfört med traditionella ställdon. Både elektriska och joniska EAP aktiveras främst med hjälp av återkopplingsstyrslingor, mer kända som slutna slingstyrsystem.
Pneumatisk styrning
För närvarande finns det två typer av pneumatiska artificiella muskler (PAM). Den första typen har en enda urinblåsa omgiven av en flätad hylsa och den andra typen har en dubbelblåsa.
Enkelblåsa omgiven av en flätad ärm
Pneumatiska konstgjorda muskler, medan de är lätta och billiga, utgör ett särskilt svårt kontrollproblem eftersom de båda är mycket olinjära och har egenskaper, såsom temperatur, som fluktuerar betydligt över tiden. PAM består vanligtvis av gummi- och plastkomponenter. När dessa delar kommer i kontakt med varandra under aktivering, ökar PAM: s temperatur, vilket i slutändan leder till permanenta förändringar i strukturen hos den konstgjorda muskeln över tid. Detta problem har lett till en mängd olika experimentella tillvägagångssätt. Sammanfattningsvis (tillhandahållet av Ahn et al.) Inkluderar livskraftiga experimentella kontrollsystem PID -kontroll, adaptiv kontroll (Lilly, 2003), olinjär optimal prediktiv kontroll (Reynolds et al., 2003), kontroll av variabel struktur (Repperger et al., 1998 ; Medrano-Cerda et al., 1995), gain-schemaläggning (Repperger et al., 1999) och olika mjuka datormetoder inklusive neuronalt nätverk Kohonen utbildning algoritmkontroll (Hesselroth et al., 1994), neuralt nätverk/olinjär PID-kontroll ( Ahn och Thanh, 2005) och neurofusig/genetisk kontroll (Chan et al., 2003; Lilly et al., 2003).
Kontrollproblem avseende mycket olinjära system har i allmänhet åtgärdats genom ett försök-och-fel-tillvägagångssätt genom vilket "otydliga modeller" (Chan et al., 2003) av systemets beteendeförmåga kan retas ut (från experimentella resultat från det specifika systemet testas) av en kunnig mänsklig expert. Viss forskning har emellertid använt "riktiga data" (Nelles O., 2000) för att träna upp noggrannheten hos en given suddig modell samtidigt som man undviker de matematiska komplexiteten hos tidigare modeller. Ahn et al.s experiment är helt enkelt ett exempel på senaste experiment som använder modifierade genetiska algoritmer (MGA) för att träna upp otydliga modeller med experimentell input-output-data från en PAM-robotarm.
Dubbelblåsan
Detta ställdon består av ett yttre membran med ett inre flexibelt membran som delar muskelns inre i två delar. En sena är fäst vid membranet och lämnar muskeln genom en ärm så att senan kan dra sig samman i muskeln. Ett rör släpper in luft i den inre blåsan, som sedan rullar ut i den yttre blåsan. En viktig fördel med denna typ av pneumatisk muskel är att det inte finns någon potentiellt friktiv rörelse av blåsan mot en yttre hylsa.
Termisk styrning
SMA konstgjorda muskler, även om de är lätta och användbara i applikationer som kräver stor kraft och förskjutning, ger också specifika kontrollutmaningar; nämligen SMA konstgjorda muskler är begränsade av deras hysteriska input-output relationer och bandbreddsbegränsningar. Som Wen et al. diskutera, är fenomenet för SMA -fasomvandling "hysteriskt" genom att den resulterande utgående SMA -strängen är beroende av historiken för dess värmeinmatning. När det gäller bandbreddsbegränsningar är det dynamiska svaret hos ett SMA -manöverdon under hysteretiska fasomvandlingar mycket långsamt på grund av den tid som krävs för att värmen ska överföra till SMA artificiell muskel. Mycket lite forskning har gjorts om SMA -kontroll på grund av antaganden som betraktar SMA -applikationer som statiska enheter; Ändå har en mängd olika kontrollmetoder testats för att hantera kontrollproblemet med hysterisk olinearitet.
I allmänhet har detta problem krävt tillämpning av antingen öppen slingekompensation eller sluten återkopplingskontroll. När det gäller öppen slinga-kontroll har Preisach-modellen ofta använts för sin enkla struktur och förmåga för enkel simulering och kontroll (Hughes och Wen, 1995). När det gäller sluten slingekontroll har ett passivitetsbaserat tillvägagångssätt som analyserar SMA slutna slingans stabilitet använts (Madill och Wen, 1994). Wen et al.: S studie ger ett annat exempel på återkopplingskontroll med sluten slinga, som visar stabiliteten hos sluten slingkontroll i SMA-applikationer genom att applicera en kombination av kraftåterkopplingskontroll och positionskontroll på en flexibel aluminiumstråle som påverkas av en SMA gjord av Nitinol .
Kemisk kontroll
Kemomekaniska polymerer innehållande grupper som antingen är pH-känsliga eller tjänar som selektiv igenkänningsplats för specifika kemiska föreningar kan fungera som ställdon eller sensorer. Motsvarande geler sväller eller krymper reversibelt som svar på sådana kemiska signaler. Ett stort utbud av supramolulecular igenkänningselement kan införas i gel -bildande polymerer, som kan binda och använda som initiator metalljoner, olika anjoner, aminosyror, kolhydrater, etc. Vissa av dessa polymerer uppvisar mekaniska svaret endast om två olika kemikalier eller initiatorer är närvarande och fungerar därmed som logiska grindar. Sådana kemomekaniska polymerer lovar också riktade läkemedelsleveranser . Polymerer som innehåller ljusabsorberande element kan fungera som fotokemiskt kontrollerade konstgjorda muskler.
Ansökningar
Konstgjorda muskelteknologier har stora möjliga tillämpningar i biomimetiska maskiner, inklusive robotar, industriella ställdon och drivna exoskeletoner . EAP-baserade konstgjorda muskler erbjuder en kombination av lätt vikt, låga energikrav, motståndskraft och smidighet för rörelse och manipulation. Framtida EAP -enheter kommer att ha applikationer inom flyg-, bilindustrin, medicin, robotik, ledmekanismer, underhållning, animering, leksaker, kläder, haptiska och taktila gränssnitt, bullerkontroll, givare, kraftgeneratorer och smarta strukturer.
Pneumatiska konstgjorda muskler erbjuder också större flexibilitet, kontrollerbarhet och lätthet jämfört med konventionella pneumatiska cylindrar. De flesta PAM-applikationer innebär användning av McKibben-liknande muskler. Termiska ställdon som SMA har olika militära, medicinska, säkerhets- och robotapplikationer och kan dessutom användas för att generera energi genom mekaniska formändringar.