Искусственные мышцы своими руками: изготовление и особенности. Более совершенные искусственные мышцы для роботов
Ученые создали новые синтетические мягкие мышцы для реалистичных роботов
Группа исследователей из Школы инженерии и прикладных наук Колумбийского университета разработала новый тип синтетических мягких мышц, производить которые можно с помощью технологии 3D-печати. Материал получился очень прочным и способен выдерживать вес в 1000 раз превосходящий его собственный, а предел его энергии упругой деформации (растяжения) в 15 раз выше в сравнении с тканями настоящих мышц.
Материал не требует использования внешнего источника для управления давлением, что часто встречается в других существующих решениях, которые полагаются на энергию пневматической или гидравлической инфляции (надува). Эти компоненты, как правило, занимают много места, что делает их неудобными в использовании при создании машин, где важна компактность и независимость.
Основой синтетических мышц служит силиконовый каучук, имеющий пористую структуру с заполнением этанолом. Материал приводится в работу с помощью электрического тока малой мощности, передаваемого по очень тонким проводам с высоким сопротивлением.
Синтетическая мышца перед и после приведения в действие
«Мы достигли определенного прогресса в создании цифрового мозга для роботов, но вот их тела по-прежнему остаются на примитивном уровне», — прокомментировал Ход Липсон, профессор механической инженерии, возглавляющий проект.
«Это большая часть общего пазла, и, как и в биологии, разработанные синтетические мышцы могут принимать и изменять форму тысячью различных способов. Мы начинаем преодолевать одно из последних препятствий, не позволявших создавать реалистичных роботов».
Новые синтетические мышцы могут принести большую пользу в сфере разработки и производства так называемых «мягких» роботов. За последние годы наблюдается огромный прогресс в создании машин, наделенных возможностью выполнять множество тонких поставленных задач. Тем не менее остается еще множество действий, выполнять которые твердые роботы не могут.
Действия, связанные с захватом объектов и манипуляцией ими, требуют наличия некоторого уровня ловкости и гибкости, обеспечить который нынешние технологии не в состоянии. Новые же материалы, подобные тому, о котором идет речь в данной статье, позволят создавать роботов, способных манипулировать мягкими и маленькими объектами, не нанося им каких-либо повреждений.
Машины, использующие подобные технологии, смогут обеспечивать надежную помощь человеку в работе в ситуациях, где требуются деликатные действия, например, в медицине. Вполне возможно, что подобные материалы начнут использоваться уже в протезах нового поколения, которые смогут обеспечить уровень контроля гораздо выше, чем обеспечивают нынешние протезы.
Сейчас же ученые из Колумбийского университета планируют усовершенствовать синтетические мышцы и заменить использующиеся провода высокого сопротивления на высокопроводящие материалы, чтобы увеличить скорость и эффективность отклика мышц.
Искусственные мышцы из нейлоновой лески
С обычной рыболовной леской из полимерного материала можно сделать занимательный опыт. Если вытянуть леску в длину и, зажав один конец, долго закручивать другой вокруг своей оси, то на леске образуются плотные кольца и она приобретает вид спиральной пружины. При нагревании эта пружина сокращается, а при охлаждении – удлиняется. Сборная команда новосибирских школьников исследовала свойства такой «искусственной мышцы» на Международном турнире юных физиков IYPT-2015. Интересно, что для количественного описания сокращения таких мышц можно использовать теорему Калугаряну – Уайта – Фуллера, ранее нашедшую применение в молекулярной биологии при описании сверхспирализованных ДНК
Искусственные мышечные волокна, способные многократно сокращаться под действием внешнего стимула и совершать механическую работу, в недалеком будущем могут найти применение в разнообразных приложениях, от экзоскелетов и промышленных роботов до микрофлюидных технологий. Разработки и исследования искусственных мышц ведутся по разным направлениям – металлы с памятью формы, электроактивные полимеры, жгуты из углеродных нанотрубок. Совсем недавно группа исследователей предложила использовать в качестве недорогих и весьма эффективных искусственных мышц спирали, свитые из обычной рыболовной лески (Hainеs еt al., 2014). Такая искусственная мышца заметно сокращается при нагревании и вновь удлиняется при охлаждении. Изготовить спиральную мышцу из нейлоновой лески и исследовать ее свойства было предложено участникам Международного турнира юных физиков IYPT-2015 в задаче «Искусственная мышца».
Мышцы требуют тренировки
В наших экспериментах мы использовали леску диаметром 0,7 мм. Чтобы свернуть ее в спираль, мы закрепили электродрель в вертикальном положении, зажали один конец лески в патроне, а к другому концу прикрепили груз весом 3 Н – при таком весе леска не порвется, а свернется в однородную спираль. В процессе закрутки груз должен подниматься вверх, не проворачиваясь вокруг вертикальной оси, для чего на него устанавливается фиксатор.
Когда продольные волокна на поверхности лески завиваются примерно на 45° по отношению к продольной оси, леска начинает скручиваться в плотную спираль. Исходный отрезок лески длиной 1 м при скручивании превращается в 17 см такой спирали. При этом нейлон претерпевает столь сильную пластическую деформацию, что после снятия вращающего усилия спираль почти не раскручивается обратно. В принципе это новое состояние волокон можно закрепить, медленно нагрев леску до температуры, близкой к температуре плавления, а затем охладив ее.
Во избежание раскручивания спирали при последующих испытаниях мы составляли искусственную мышцу из двух спиралей с правой и левой завивкой, скрепляя их параллельно. Снизу к вертикально подвешенной мышце крепился поднимаемый груз. Для сокращения мышцы на ее верхний конец по трубке подавалась горячая вода, которая свободно стекала по спиралям вниз. Температура мышцы измерялась закрепленным на ней термодатчиком, удлинение – ультразвуковым датчиком перемещения.
Работа, совершаемая двигателем по перемещению груза против постоянной действующей силы, равна произведению величины силы и перемещения. Например, при перемещении свободно подвешенного груза весом 10 Н вверх (т.е. в направлении, противоположном вектору силы тяжести) на 0,03 м подъемник совершает работу 10 Н × 0,03 м = 0,3 Дж.
Измерив в нескольких последовательных испытаниях, как длина мышцы с подвешенным к ней грузом 10 Н зависит от температуры, мы обнаружили эффект тренировки: после первых циклов нагрева и охлаждения мышца становилась длиннее, но с четвертого раза циклы начинали воспроизводиться, так что тренированная мышца длиной 200 мм при нагреве от 20 до 80 °С каждый раз сокращалась на 30 мм, совершая работу в 0,3 Дж, а затем на столько же растягивалась при охлаждении. При нагреве спираль поглощала тепловую энергию 50 Дж, так что КПД мышцы составлял 0,06 %.
Твист и серпантин
Объясним теперь, почему нейлоновая спираль сокращается при увеличении температуры. Опыт показывает, что при нагреве сокращается и не закрученная леска с подвешенным грузом, хотя и не так заметно. Это сокращение связано с анизотропией материала, из которого изготовлена леска. Когда расплавленный нейлон пропускается через фильеру, длинные полимерные молекулы ориентируются вдоль лески. Нагруженные полимерные волокна при нагреве ведут себя так же, как и нити растянутой резины (Trеloar, 1975) – сокращаются, увеличивая энтропию системы.
Теперь рассмотрим леску, закрученную до состояния, в котором она начинает завиваться в спираль. Как уже было сказано, в этом состоянии продольные волокна на поверхности лески завиты примерно на 45° по отношению к оси. При нагреве лески закрученные волокна сокращаются, что приводит к раскручиванию лески. Для простоты будем считать, что если волокна сокращаются на 1 %, то и число оборотов, на которое раскручивается леска, составляет 1 % от полного числа оборотов, на которое она закручена.
Нам осталось разобраться с тем, как связаны между собой сокращение волокон и сокращение спиральной мышцы. Разработка простой математической модели, описывающей эту связь, составила важную часть нашего решения задачи. В итоге для описания сокращения спирали мы применили формулу Калугаряну – Уайта – Фуллера (CWF):
которая была доказана в дифференциальной геометрии (Călugărеanu, 1959; Whitе, 1969; Fullеr, 1971), а затем нашла применение в молекулярной биологии при описании сверхспирализованных ДНК (Fullеr, 1978; Pohl, 1980).
Число зацепления Lk (англ. – linking numbеr) в этой формуле показывает, на сколько оборотов нижний конец лески был закручен по отношению к верхнему. Это число является топологическим инвариантом: оно остается неизменным при деформациях спирали, если нижний конец лески не раскручивается относительно верхнего.
Формула CWF говорит о том, что число зацепления можно разложить на два слагаемых – Tw (twisting) и Wr (writhing), сумма которых в нашем эксперименте остается неизменной. Число Tw характеризует закрутку волокон внутри лески (первичную); число Wr – внешнюю закрутку самой лески (вторичную), когда она образует пространственную спираль.
Чтобы лучше уяснить смысл этой формулы, возьмите тонкий пластиковый шнур, проведите маркером прямую линию на его поверхности, а затем спирально намотайте этот шнур на кусок толстой трубы так, чтобы проведенная линия была обращена наружу от трубы. Допустим, что шнур обернут вокруг трубы на 5 оборотов. В таком состоянии внутренняя закрутка волокон шнура Tw = 0, и число зацепления равно внешней закрутке: Lk = Wr = 5. Теперь возьмитесь за концы шнура двумя руками, снимите шнур с трубы, не разнимая рук, и растяните его. Шнур вытянулся по прямой, пространственные кольца исчезли, и теперь его внешняя закрутка Wr = 0. При этом шнур оказался перекрученным вокруг своей оси, и число оборотов его внутренней закрутки стало равно числу зацепления: Tw = Lk = 5.
В упомянутых выше математических работах была найдена математическая формула для вычисления внешней закрутки Wr в общем случае. Для равномерной спиральной закрутки эта формула сильно упрощается (Fullеr, 1978), приобретая вид
где N – это число витков внешней спирали, α – угол подъема винтовой линии спирали.
Когда мы закручивали в спираль метровую леску, патрон дрели совершил 360 оборотов до образования барашков (петель) и 180 оборотов после образования барашков; при этом на каждый оборот возникал один новый барашек. Это означает, что внутренней закрутки лески при образовании барашков уже не происходило, так что готовая мышца характеризовалась числами Tw = 360, Wr = 180.
Опыт показывает, что незакрученная нейлоновая леска сокращается на 1,1 % при нагреве от 20 до 80° С. Будем считать, что это сокращение волокон приводит к уменьшению внутренней закрутки Tw также на 1,1 %, т. е. на 4 оборота. Тем самым внешняя закрутка Wr увеличивается на 4 оборота, т. е. на 2,2 %. Число витков спирали N при этом не меняется, значит на 2,2 % увеличивается значение выражения (1 – sin α), т. е. уменьшается величина угла α, за счет чего спираль и становится короче. В готовой спиральной мышце sin α ≈ 0,16, поэтому увеличение значения (1 – sin α) на 2,2 % приводит к уменьшению sin α на 13 %. Именно на столько и происходило сокращение высоты спирали в нашем эксперименте.
Конечно, принятая модель – достаточно грубая, но она дает результаты, согласующиеся с экспериментом. Ее основным достоинством является ее простота: вместо того чтобы описывать структуру волокон лески, мы оперируем легко подсчитываемыми в опыте числами Tw, Wr и Lk. Вся грубость модели заключается в предположении о том, что относительное уменьшение внутренней закрутки спирали равно относительному сокращению волокон незакрученной лески при таком же изменении температуры. Это предположение можно было бы проверить в косвенном эксперименте с леской, закрученной до такого состояния, когда на ней вот-вот начнут образовываться барашки, и зафиксированной в этом состоянии за счет нагрева до температуры, близкой к температуре плавления нейлона, и последующего охлаждения.
Călugărеanu G. L’ intégral dе Gauss еt l’analysе dеs noеuds tridimеnsionnеls // Rеv. Math. Purеs Appl. 1959. V. 4. P. 5–20.
Chеrubini A., Morеtti G, Vеrtеchy R., Fontana M. Еxpеrimеntal charactеrization of thеrmally-activatеd artificial musclеs basеd on coilеd nylon fishing linеs // AIP Advancеs. 2015. V. 5. Doc. 067158.
Hainеs C. S., Lima M. D., Na Li еt al. Artificial musclеs from fishing linе and sеwing thrеad // Sciеncе. 2014. V. 343. P. 868–872.
Fullеr F. B. Thе writhing numbеr of a spacе curvе // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1971. V. 68. P. 815–819.
Fullеr F. B. Dеcomposition of thе linking numbеr of a closеd ribbon: A problеm from molеcular biology // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1978. V. 75. P. 3557–3561.
Pohl W. F. DNA and diffеrеntial gеomеtry // Math. Intеlligеncеr. 1980. V. 3. P. 20–27.
Trеloar L. R. G. Thе physics of rubbеr еlasticity. Oxford univеrsity prеss, 1975.
Whitе J. H. Sеlf-linking and thе Gauss intеgral in highеr dimеnsions // Am. J. Math. 1969. V. 91. P. 693–728.
Искусственные мышцы на 3D-принтере: новая методика изготовления мягких актуаторов для робототехники
Подпишитесь на автора
Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах.
Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.
Подпишитесь на автора
Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах.
Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.
Еще больше интересных постов
Самарское предприятие ОДК внедряет 3D-печать литейных форм
Подпишитесь на автора
Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах.
Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.
Швейцарские ученые разрабатывают технологию скоростной фотополимерной 3D-печати
Подпишитесь на автора
Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах.
Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.
Компания Iro3D приступила к поставкам 3D-принтеров по металлу стоимостью $5000
Подпишитесь на автора
Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах.
Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.
Комментарии
45Вт потребления, чтобы поднять 1 кг?
Сервоприводы на порядок эффективнее.
опыты Фарадея с электричеством тоже по началу казались фокусами и развлекали современников
а что из этого вышло. 😉
Уважаемый
доктор наук просто не знал о том что существует множество видов фреона, с разными температурами испарения и сжижения, и что с помощью фреонов можно было-бы добиться гораздо большего результата, но есть одно – у гидравлики единая двигательная система – централизованная, и любой робот, с централизованной двигательной системой, будет всегда сильнее того, у кого двигательная система разбита. Это как куча поселений, или куча поселений и город, взять просто – экономику в аналогии. Сомнительно, что кто-то повально загорится стрительством аппаратов по этой системе, даже с фреонами. Но ради хайпа – почему-бы и нет.
Плюсанул – пусть помучаются и поймут проблемы роботостроения получше – вкусят жизни роботостроителя 🙂 .
Пройдут через тернии, это их заставит уважать чужой труд.
Вы, как я предполагаю, далеки от науки? Не все должно работать сразу и быть лучше того, что существует, возможно с помощью этого открытия откроются новые изобретения.
[quote] Плюсанул – пусть помучаются и поймут проблемы роботостроения получше – вкусят жизни роботостроителя [IMG]http://3dtoday.ru/bitrix/images/blog/smile/icon_smile.png[/IMG] .
Пройдут через тернии, это их заставит уважать чужой труд. [/quote]
Думаю, о роботостроении они знают побольше, чем вы думаете, и трудятся они не меньше некоторых экспертов.
с помощью этого открытия открытия свойств спирта или силикона? или обоих сразу? откроются новые изобретения то-есть, если переоткрывать старое, то должно открыться новое, но уже кем-то другим как я понял?
и почему не фреоны? у них больший кпд в этом плане, и можно диапазон температурный сделать достаточно малым.
Да. Думаю, что именно так.
Да. Думаю, что именно так. Спасибо за честность. Честность достойна уважения не меньшего труда.
Ну в принципе, если никто не замечает чего-то, то почему-бы это не подковырнуть, согласен. Вообще идея неплоха для частичной установки на машину, но опять-же смотря какие условия эксплуатации. И я-бы попробовал фреоны и полиуретан, все-таки. Силикон для этого не очень хорош, но дёшево, а у спирта в данной роли – низкий кпд.
И кстати
Созданию роботов сегодня уделяется много внимания. Специалисты создают таких помощников разного размера и форм, в работе они используют разные материалы. В последнее время стали все чаще появляться сообщения о создании все новых и новых мягких роботов. Специалисты из Токийского университета не работали над созданием робота, а придумала лишь отдельный элемент – двигатель. Это специальный двигатель, который должен приводить в действие мягких роботов. Особенность его состоит в том, что и сам он является мягкотелым.
При создании инновационного двигателя специалисты из Японии использовали технологию, которая сегодня активно применяется для производства гибких датчиков и печатных электронных схем. В качестве рабочего тела выступает ацетон. Ученые обратили внимание на данную жидкость потому, что при небольшой температуре она закипает и испаряется. Основой же выступает полимерная пленка. Из нее формируется герметичная полость, данная полость наполняется газом после того, как нагревательный элемент испаряет ацетон, при этом изменяется давление и двигатель начинает изгибаться. Первоначальную форму он принимает после того, как нагревательный элемент отключается, а ацетон снова превращается в жидкость, что приводит к нормализации давления внутри камеры.
Специалисты создали такие двигатели небольшого размера всего 25х80 миллиметров. При этом их вес составил 3 грамма. Такой двигатель может создавать угол в 90 градусов. Максимальное усилие его составляет 0,1 Нм. Толщина пленки, для изготовления герметичной камеры составляет 135 микрометров. На ее поверхности с помощью чернил с серебряными наночастицами и струйного принтера печатается нагревательный элемент и электрические цепи.
Источники:
http://hi-news.ru/technology/uchenye-sozdali-novye-sinteticheskie-myagkie-myshcy-dlya-realistichnyx-robotov.html
http://scfh.ru/papers/iskusstvennye-myshtsy-iz-neylonovoy-leski/
http://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/artificial-muscles-on-a-3d-printer-a-new-method-for-fabricating-soft-a/
