5 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

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».

Читать еще:  Польза и вред эллиптического тренажера — все не так просто, как кажется. Выбираем тренажер правильно

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.

Читать еще:  Как лимон сжигает жиры? Сжигает ли лимон жиры.

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.

Читать еще:  Быстрые и медленные мышечные волокна тренировка. Типы мышц и тренировки

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/

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector