Nová technologie umělých svalů pro robotiku

Datum 03.01.2022

Foto: Unsplash

Vědci a inženýři v robotice neustále hledají nejsilnější, nejefektivnější, nejlevnější a nejrychlejší způsoby, jak umožnit robotům provádět pohyby nezbytné pro jejich zamýšlené funkce. Neustále se hledají nové technologie založené na biomimetice, kdy jsou robotické stroje navrženy speciálně tak, aby napodobovaly lidský pohyb. Děje se tak se záměrem vyrobit roboty, kteří budou výkonnější než jejich lidské protějšky. Jakkoli jsou hydraulické písty a elektromotory produktivní a efektivní, jsou zároveň omezené, protože mají pevnou formu.

Technologie umělých svalů

Umělé svaly, které se také označují jako aktuátory podobné svalům, jsou zařízení nebo materiály, které kopírují funkce lidských svalů a mohou se roztahovat, smršťovat, měnit svou tuhost nebo rotovat v důsledku působení vnější síly (proudu, napětí, teploty nebo tlaku). Existují tři základní reakce na aktivaci: roztažení, smrštění a rotace. Tyto reakce pak lze kombinovat pomocí jednoho zařízení a využívat je k vytváření dalších různých typů pohybu. Například materiál lze ohýbat tak, že se jeden jeho konec rozpíná a druhý smršťuje. Typický pneumatický rotační nebo lineární aktuátor nebo motor není klasifikován jako umělý sval, protože k tomu, aby byla možná aktivace, je zapotřebí více komponent.

Umělé svaly jsou všestranné, vysoce flexibilní a mají skvělý poměr výkonu a hmotnosti ve srovnání s běžnými tuhými aktuátory, díky čemuž mají schopnost stát se velmi převratnou novou technologií. V současné době jsou v omezené kapacitě, ale protože mají oproti přirozeným svalům mnoho výhod, předpokládá se, že jejich popularita bude i nadále růst.

Neexistuje přímý způsob, jak porovnat umělé svaly s přirozenými, ale existují některé kategorie nazývané “výkonová kritéria” – jako jsou životnost cyklu, modul pružnosti, deformace, rychlost deformace a napětí – ve kterých lze jejich výkonnost porovnat.

Vědci také zaznamenávají údaje pro umělé svaly v kategoriích hustoty energie, rychlosti, účinnosti a výkonu. V roce 2014 poskytl nejsilnější umělý sval na světě výkon, který byl 100krát vyšší než srovnatelný přírodní sval se stejnou délkou vláken.

Typy umělých svalů

Umělé svaly lze, podle jejich způsobu ovládání, rozdělit do tří hlavních skupin: elektrické ovládání, pneumatické ovládání a tepelné ovládání. Elektrická aktivace se provádí pomocí polymerů, které se nazývají elektroaktivní polymery (EAP). Jak již název napovídá, je možná prostřednictvím aplikace elektrického pole. Mají relativně nízkou kapacitu točivého momentu a chybí jim standardní materiál zařízení, což brání jejich komercializaci.

Umělé svaly Cavatappi

V robotice dochází k pokroku směrem k biologičtějším formám a biomimetickým protézám, a proto se tyto aktuátory musí vyvíjet. S ohledem na tuto skutečnost vyvinuli inženýři z katedry strojního inženýrství Severoarizonské univerzity novou, vysoce výkonnou technologii umělých svalů. Tato nová technologie údajně umožňuje větší přizpůsobivost a flexibilitu robotů, což má za následek mnohem podobnější pohyb člověku a lepší výkon v mnoha oblastech. Tyto revoluční lineární aktuátory se nazývají “umělé svaly cavatappi”, protože se velmi podobají známým italským těstovinám.

Jejich název je odvozen od jejich šroubovité, svinuté struktury, která jim dává schopnost generovat více energie než podobné technologie. To z nich dělá ideální technologii pro robotické a bioinženýrské aplikace a v první várce testů se ukázalo, že v kategoriích výkonu a práce nová technologie umělých svalů překonává lidský kosterní sval pětkrát a desetkrát! Očekává se, že s dalším zdokonalováním a pokrokem této technologie se bude zvyšovat i její výkonnost.

A z čeho jsou vyrobeny umělé svaly cavatappi? Jejich základem jsou Twisted Polymer Actuators (TPA), které byly v době svého vzniku všeobecně známé jako revoluční technologie díky svým lehkým, výkonným, ale i cenově výhodným vlastnostem. Byly však velmi pomalé a neefektivní a musely být ručně zahřívány a chlazeny, uvádí se, že jejich účinnost se pohybovala kolem dvou procent! Tato nová verze překonala tuto překážku tím, že využívá tlakovou kapalinu, která umožňuje její pohon, což zvyšuje pravděpodobnost jejího širokého rozšíření. Rychlost, s jakou se může uvést do chodu, je do značné míry určena tím, jak rychle lze tuto tlakovou kapalinu do něj napumpovat.

Použití této tlakové kapaliny vedlo k výraznému nárůstu účinnosti aktuátoru, a to ze dvou procent až na 45 procent, což je v oblasti měkkých pohonů impozantní číslo. Pro tuto technologii existuje řada aplikací, hlavními kandidáty jsou měkká robotika, konvenční robotické aktuátory (chodící roboti), nebo dokonce asistenční technologie, jako jsou protézy nebo exoskelety. Očekává se, že tato nová technologie bude široce využívána díky své nízké ceně, flexibilitě, jednoduchým a účinným vlastnostem a schopnosti rekuperovat deformační energii.

Richard Pappen
zdroj: Science Journal

Volty 700 x 200 px

Napsat komentář