العضلة الاصطناعية هي مصطلح عام يستخدم للمشغلات أو المواد أو الأجهزة التي تحاكي العضلة الطبيعية ويمكن أن تنكمش أو تتوسع أو تدور بشكل عكسي داخل مكون واحد بسبب التحفيز الخارجي (مثل الجهد أو التيار أو الضغط أو درجة الحرارة). يمكن الجمع بين استجابات التشغيل الأساسية الثلاثة – الانكماش والتوسع والتناوب – معًا داخل مكون واحد لإنتاج أنواع أخرى من الحركات (مثل الانحناء ، من خلال التعاقد على جانب واحد من المادة مع توسيع الجانب الآخر). المحركات التقليدية والمشغلات الهوائية أو الدورانية غير مؤهلة كعضلات اصطناعية ، لأن هناك أكثر من عنصر واحد يشارك في التشغيل.
نظرًا لمرونتها المرتفعة وتعدد استخداماتها ونسبتها إلى الوزن مقارنةً بالمشغلات التقليدية الصارمة ، فإن العضلات الاصطناعية لديها القدرة على أن تكون تقنية ناشئة للغاية. على الرغم من الاستخدام المحدود حاليًا ، قد يكون للتكنولوجيا تطبيقات مستقبلية واسعة في الصناعة والطب والروبوتات والعديد من المجالات الأخرى.
نظرة عامة
وتشمل هذه ليس فقط تلك التي تقلد بنية العضلات الحيوانية الفعلية بواسطة التكنولوجيا الحيوية ولكن أيضا المحركات التي تولد الطاقة عن طريق تغيير الحالة عن طريق استهلاك الطاقة الكهربائية والمغناطيسية أو الكيميائية.
هناك أنواع مختلفة من العضلات الاصطناعية مثل نوع كهرضغطية ، سبيكة ذاكرة الشكل ، نوع إلكتروستاتيكي ، نوع هوائي وما شابه ، ولكن في الآونة الأخيرة ، تلك التي تستخدم البوليمر مثل الراتنجات الاصطناعية تجذب الانتباه. يقال أنه هو المحرك الناعم ، لأن المواد المستخدمة لينة ، الحركة مرنة ، كما أنها تدعم قوى خارجية.
في الجهاز الميكانيكي ، هناك ميل لإخراج زخم محدد سلفا فيما يتعلق بالطاقة المدخلة ، ولكن في حالة وجود بعض القيود المادية فعليًا ، سوف يتضرر الحاجز أو الجهاز الميكانيكي نفسه. في العضلات الاصطناعية ، على الرغم من أن التمرين يتم مع عرض معين فيما يتعلق بالطاقة المدخلة ، في نفس الوقت عندما تكون القوة مدخلات من الخارج أو لا يمكن أن تظهر قوة دافعة محددة سلفًا ، فإن وحدة الطاقة نفسها تولد زخمًا مفرطًا في شكل التشوه ويعتقد أن وظيفة منع الامتصاص وتدمير المعدات وتلف الجسم.
يمكن لمصادر الطاقة “اللينة” هذه أن تضع الطاقة مؤقتًا بحيث يتم استهلاك عزم الدوران الميكانيكي بشكل مفرط بسبب الاحتكاك داخل وخارج الآلية ، على شكل مرونة ، لذلك قمنا بتطوير جهاز أكثر كفاءة بالإضافة إلى حقيقة أن عناصر الماكينة وهياكلها لا توليد الطاقة ، ولكن المادة نفسها هي مصدر للطاقة ، يمكن القول أنه من المفيد لتصغير حجم الجهاز.
ومع ذلك ، اعتبارا من عام 2010 ، كما هو الحال بالنسبة للمواد المستخدمة كعضلات اصطناعية ، فإن العديد من المواد الكهرضغطية والبوليمرية تكون في مراحل التطوير والبحث ، والعديد منها لا يمكن إنتاجه بكميات كبيرة بتكلفة منخفضة. • لا يمكن تحويل طاقة الإدخال إلى تطبيقات الزخم. المنتجات التي تباع كمنتجات قابلة للاستخدام بشكل عام محدودة ، بسبب كفاءة التحويل المنخفضة ومشاكل مقاومة الضغط / المتانة ، يبدو أن الأمر يستغرق وقتًا لنشره. يمكن تحقيق وظيفة المشغل من خلال تطبيق مبدأ المحرك المضغوط المتوفر تجارياً ، والمحرك الخطي (بما في ذلك محرك الملف الصوتي) وما إلى ذلك ، يمكن استخدام هذا كمنتجات قائمة غير مكلفة متاحة كوحدات نمطية المنتجات التي تستخدم هذه هي السائدة لأنها تستطيع.
مقارنة مع العضلات الطبيعية
في حين لا توجد نظرية عامة تسمح بمحاكاة المحركات ، فهناك “معايير القوة” لتقنيات العضلات الاصطناعية التي تسمح بمواصفات تكنولوجيات المشغل الجديدة بالمقارنة مع الخصائص الطبيعية للعضلات. باختصار ، تشمل المعايير الإجهاد ، الإجهاد ، معدل الإجهاد ، دورة الحياة ، ومعامل المرونة. وقد نظر بعض المؤلفين في معايير أخرى (Huber et al. ، 1997) ، مثل كثافة المشغل وحلول الإجهاد. اعتبارا من عام 2014 ، يمكن أن توفر أقوى ألياف العضلات الاصطناعية في وجود زيادة بمقدار مائة ضعف في القوة على الأطوال المتكافئة من ألياف العضلات الطبيعية.
يقيس الباحثون السرعة ، وكثافة الطاقة ، والطاقة ، والكفاءة في العضلات الاصطناعية. لا يوجد نوع واحد من العضلات الاصطناعية هو الأفضل في جميع المجالات.
أنواع
يمكن تقسيم العضلات الاصطناعية إلى ثلاث مجموعات رئيسية بناءً على آلية تشغيلها.
يشغل حقل كهربائي
البوليمرات الكهربائية (EAPs) هي عبارة عن بوليمرات يمكن تشغيلها من خلال تطبيق المجالات الكهربائية. في الوقت الحالي ، تشتمل أبرز وحدات EAP على بوليميرات كهرضغطية ، ومشغلات عازلة (DEAs) ، و lastomers طعم إلكتروستاتيكي ، و lastomers سائلة (LCE) وبوليمرات كهرونية. في حين أن هذه الأكواب يمكن أن تصنع لثني ، فإن قدراتها المنخفضة على حركة عزم الدوران تقيد في الوقت الحالي فائدتها كعضلات اصطناعية. علاوة على ذلك ، وبدون مادة قياسية مقبولة لإنشاء أجهزة EAP ، ظل التسويق التجاري غير عملي. ومع ذلك ، أحرز تقدم كبير في تكنولوجيا EAP منذ 1990s.
يشتغل أيون
الأيونات الأيونية هي البوليمرات التي يمكن تشغيلها من خلال انتشار الأيونات في محلول إلكتروليت (بالإضافة إلى تطبيق المجالات الكهربائية). وتشمل الأمثلة الحالية للبوليمرات الكهربية الأيونية المواد الهلامية متعددة الإلكترودات ، والمركبات المعدنية البوليمرية المتشابهة (IPMC) والبوليمرات الموصلة والسوائل الإلكتروريولوجية (ERF). في عام 2011 ، تم إثبات أن الأنابيب النانوية الكربونية الملتوية يمكن أيضًا تشغيلها عن طريق تطبيق حقل كهربائي.
يشتغل الطاقة الكهربائية
عضلات البوليمر الملتوية والملفوفة (TCP) والمعروفة أيضًا بالبوليمر الفائق (SCP) عبارة عن بوليمر ملفوف يمكن تشغيله بواسطة الطاقة الكهربائية. تبدو عضلة TCP مثل نابض حلزوني. عادة ما تكون عضلات بروتوكول TCP مصنوعة من النايلون المطلي بالفضة. كما يمكن لعضلة TCP أن تصنع من غطاء موصل كهربائي آخر مثل الذهب. يجب أن تكون عضلات بروتوكول TCP تحت الحمل للحفاظ على تمدد العضلات. تتحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية بسبب المقاومة الكهربائية ، والتي تعرف أيضًا باسم تسخين جول ، وتسخين Ohmic ، وتسخين مقاوم. كلما زادت درجة حرارة عضلات TCP بتسخين الجول ، يتعاقد البوليمر ويسبب انكماش العضلات.
يشتغل بالهواء المضغوط
تعمل العضلات الاصطناعية الهوائية (PAMs) عن طريق ملء المثانة الهوائية بالهواء المضغوط. عند تطبيق ضغط الغاز على المثانة ، يحدث تمدد حجم متناحٍ ، ولكن يتم تقييده بواسطة أسلاك مضفرة تطوق المثانة ، وترجمة تمدد الحجم إلى تقلص خطي على طول محور المشغل. يمكن تصنيف PAMs من خلال تشغيلها وتصميمها ؛ أي ، PAMs ميزة التشغيل الهوائي أو الهيدروليكي ، والضغط الزائد أو تشغيل الضغط المنخفض ، والأغشية المضفرة / المخصّصة أو المضمّنة والأغشية الممتزّة أو أغشية إعادة الترتيب. من بين أكثر أنواع PAMs شيوعاً اليوم هي عضلة مجنحة بشكل اسطواني تعرف باسم “عضلة ماكيبين” ، والتي تم تطويرها لأول مرة بواسطة JL McKibben في 1950s.
يشتغل بالحرارة
حدود الصيد للسمك
يمكن للعضلات الاصطناعية التي تم إنشاؤها من خط الصيد العادي وخيوط الخياطة أن ترفع وزنها أكثر من 100 مرة وأن تولد طاقة تزيد 100 مرة عن قوة العضلات البشرية من نفس الطول والوزن.
تكلفة العضلات الاصطناعية القائمة على خط الصيد تكلف بالفعل من حيث الحجم (لكل باوند) من سبيكة الذاكرة الشكل أو خيوط أنابيب الكربون النانوية ؛ لكن في الوقت الحالي تتسم بكفاءة ضعيفة نسبيًا.
يتم محاذاة الجزيئات الكبيرة الفردية مع الألياف في ألياف البوليمر المتاحة تجاريا. عن طريق تحويلها إلى لفائف ، يقوم الباحثون بعمل عضلات اصطناعية تتقلص بسرعات مماثلة للعضلات البشرية.
إن ألياف البوليمر (غير الممضوغ) ، مثل خط الصيد من البولي إيثيلين أو خيوط الخياطة النايلون ، بخلاف معظم المواد ، يتم تقصيرها عند تسخينها – تصل إلى حوالي 4٪ لزيادة درجة الحرارة بمقدار 250 ك. من خلال لف الالياف وتلف الالياف الملتوية في الملف ، فإن التسخين يتسبب في شد اللف واختصاره بنسبة تصل الى 49٪. وجد الباحثون طريقة أخرى لإفراز الملف لدرجة أن التسخين يتسبب في إطالة اللفة بنسبة 69٪.
تطبيق واحد من العضلات الاصطناعية المنشط حراريا لفتح وإغلاق النوافذ تلقائيا ، والاستجابة لدرجة الحرارة دون استخدام أي قوة.
العضلات الاصطناعية الصغيرة تتكون من الأنابيب النانوية الكربونية الملتوية المليئة بالبارافين أقوى 200 مرة من العضلات البشرية.
سبائك الذاكرة الشكل
ومن الممكن أن تعمل سبائك السبائك الشكلية (SMAs) واللدائن البلورية السائلة والسبائك المعدنية التي يمكن أن تتشوه ثم تعود إلى شكلها الأصلي عند تعرضها للحرارة ، كعضلات اصطناعية. توفر العضلات الاصطناعية القائمة على المحرك الحراري مقاومة للحرارة ، ومقاومة تأثير ، وكثافة منخفضة ، وقوة عالية من التعب ، وتوليد قوة كبيرة أثناء تغييرات الشكل. في عام 2012 ، تم عرض فئة جديدة من العضلات الاصطناعية الخالية من الكهارل المنشطة بالكهرباء والمعروفة باسم “مشغلات الغزل الملتوية” ، على أساس التمدد الحراري لمواد ثانوية داخل الهيكل العضلي الملتوي العضلي. وقد ثبت أيضًا أن شريط ثاني أكسيد الفاناديوم الملفوف يمكن أن يلتوي ويفتح بسرعة ذروة الالتواء تبلغ 200000 دورة في الدقيقة.
العضلات الاصطناعية باستخدام البوليمر
البوليمر المستجيب للكهرباء (النسخة الإنجليزية) (Polymactive Polymers: EAP)
فيلم بوليمر موصل إيوني (ICPF: فيلم بوليمر موصل أيوني)
في عام 1991 ، تم اختراعه بواسطة Keisuke Oguchi (معهد أوساكا لأبحاث التكنولوجيا الصناعية ، المعهد الوطني للعلوم والتكنولوجيا الصناعية المتقدمة ، AIST السابق) وغيرها.
معدن نوبل (الذهب والبلاتين) مطلي كهربائيا على كلا الجانبين من فيلم حامض السلفونيك بيرفلور (PFS) ، والانحناء بسرعة عالية عند تطبيق الجهد على كل من الأقطاب الجانبية.
العضلات الاصطناعية باستخدام الضغط الهوائية
العضلات الاصطناعية الهوائية (PAMs)
نوع McKibben (العضلات الاصطناعية)
في عام 1961 ، تم تطويره من قبل جوزيف McKibben.
وهي تتشكل على شكل أنبوب مطاطي مغطى بألياف نايلون ويتم تعاقده عن طريق تطبيق هواء مضغوط بالداخل.
اوريغامي روبوت – وضعت من قبل معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا علوم الكمبيوتر ومخبر الذكاء الاصطناعي (CSAIL). العضلات الاصطناعية الجمع بين هيكل اوريغامي وفراغ حزمة. عن طريق سحب الهواء داخل حزمة الفراغ ، فإن الورق الداخلي القابل للطي يشوه أيضًا التشابك ويصبح هيكلًا عظميًا.
عضلات اصطناعية تستخدم الكهرباء والمغناطيسية
باستخدام السائل الكهربائي
استخدام سائل لزج مغناطيسي (سائل مغنطيسي)
باستخدام الجذب الكهربائي
يمكن أيضًا استخدام المحرك الذي يستخدم القوة الكهروستاتيكية ، مثل “المحرك الكهروستاتيكي ذي الطاقة العالية” تحت البحث والتطوير من قبل مختبر هيغوتشي – ياماموتو التابع لجامعة طوكيو ، كعضلة اصطناعية. أشرطة الفيديو من البوليمرات الكهربائية في العمل
ألياف العضلات CNT
تم تطوير عضلة اصطناعية مهيأة للتعاقد عن طريق إضافة جهد حوالي 5 كيلو فولت إلى أنبوب نانوي كربوني معالج في معهد أبحاث النانو التابع لجامعة تكساس في دالاس. تمتلك العضلات الاصطناعية كثافة أثقل قليلاً فقط من الهواء ، ولها معدل تقلص سريع وهي قوة أكثر بمقدار 30 مرة لكل منطقة من العضلات البيولوجية. (لاحظ أنها ليست قوية بشكل خاص بالمقارنة مع العضلات الاصطناعية الأخرى التي ثلاثين مرة من عضلات الجسم.
أنظمة التحكم
الأنواع الثلاثة من العضلات الاصطناعية لها قيود مختلفة تؤثر على نوع نظام التحكم الذي تتطلبه للتشغيل. من المهم ملاحظة أن أنظمة التحكم غالبًا ما تكون مصممة لتلبية مواصفات تجربة معينة ، مع بعض التجارب التي تدعو إلى الاستخدام المشترك لمجموعة متنوعة من المحركات المختلفة أو مخطط التحكم الهجين. على هذا النحو ، لا ينبغي أن تعامل الأمثلة التالية كقائمة شاملة لمجموعة متنوعة من نظم التحكم التي قد تستخدم لتشغيل عضلة اصطناعية معينة.
السيطرة على الجهد
يمكن تشكيل عضلات البوليمر الملتوية والملفوفة (TCP) بواسطة مسافات خطية ثابتة من الدرجة الأولى عند إدخال التيار الكهربائي ، مع دقة تزيد عن 85٪. لذلك ، يمكن التحكم بسهولة في عضلات TCP بواسطة وحدة تحكم PID الرقمية. يمكن استخدام وحدة تحكم غامض لتسريع وحدة تحكم PID.
السيطرة EAP
توفر وحدات EAP انخفاضًا في الوزن واستجابة أسرع وكثافة طاقة أعلى وتشغيلًا أكثر هدوءًا مقارنة بالمشغلات التقليدية. يتم تشغيل كل من وحدات EAP الكهربائية والأيونية في المقام الأول باستخدام حلقات التحكم في التغذية الراجعة ، والمعروفة باسم أنظمة التحكم ذات الحلقة المغلقة.
التحكم بالهواء المضغوط
حاليا هناك نوعان من العضلات الاصطناعية الهوائية (PAMs). النوع الأول يحتوي على مثانة واحدة محاطة بأكمام مضفرة والنوع الثاني يحتوي على مثانة مزدوجة.
المثانة الواحدة محاطة بأكمام مضفرة
تشكل عضلات اصطناعية تعمل بالهواء المضغوط ، في حين أنها خفيفة الوزن وغير مكلفة ، مشكلة تحكم صعبة بشكل خاص حيث أنها غير خطية على حد سواء ولها خصائص ، مثل درجة الحرارة ، التي تتقلب بشكل كبير مع مرور الوقت. تتألف PAMs عمومًا من مكونات مطاطية وبلاستيكية. بما أن هذه الأجزاء تتلامس مع بعضها البعض أثناء التشغيل ، فإن درجة الحرارة في PAM تزداد ، مما يؤدي في النهاية إلى تغييرات دائمة في بنية العضلات الاصطناعية مع مرور الوقت. وقد أدت هذه المشكلة إلى مجموعة متنوعة من الأساليب التجريبية. في ملخص (التي قدمها آهن وآخرون) ، تشمل أنظمة التحكم التجريبية القابلة للحياة التحكم PID ، التحكم التكييفي (Lilly ، 2003) ، التحكم التنبئي الأمثل غير الخطي (رينولدز وآخرون ، 2003) ، التحكم في البنية المتغيرة (Repperger et al.، 1998 ؛ Medrano-Cerda وآخرون ، 1995) ، الحصول على جدولة (Repperger et al. ، 1999) ، ومناهج حوسبة ناعمة مختلفة بما في ذلك التحكم في خوارزمية تدريب الشبكة العصبية Kohonen (Hesselroth et al. ، 1994) ، الشبكة العصبية / التحكم غير الخطي PID ( Ahn and Thanh، 2005)، and neuro-fuzzy / genetic control (Chan et al.، 2003؛ Lilly et al.، 2003).
تم التعامل مع مشكلات التحكم المتعلقة بالنظم غير الخطية بشكل عام من خلال نهج التجربة والخطأ الذي يمكن من خلاله اختبار “النماذج الغامضة” (Chan et al.، 2003) من القدرات السلوكية للنظام (من النتائج التجريبية للنظام المحدد يجري اختباره) من قبل خبير بشري على دراية. ومع ذلك ، فقد استخدمت بعض الأبحاث “بيانات حقيقية” (Nelles O.، 2000) لتدريب دقة نموذج معين غامض مع تجنب التعقيدات الرياضية للنماذج السابقة في نفس الوقت. إن تجربة آهن وآخرين هي ببساطة مثال واحد للتجارب الحديثة التي تستخدم خوارزميات جينية معدلة (MGAs) لتدريب نماذج ضبابية باستخدام بيانات المدخلات والمخرجات التجريبية من ذراع الروبوت PAM.
المثانة المزدوجة
يتكون هذا المحرك من غشاء خارجي مع غشاء مرن داخلي يقسم الجزء الداخلي من العضلات إلى جزأين. يتم تأمين الوتر إلى الغشاء ، ويخرج من العضلات من خلال الأكمام بحيث يمكن أن الوتر في العقد. يسمح الأنبوب للهواء بالدخول إلى المثانة الداخلية ، ثم يتدفق إلى المثانة الخارجية. الميزة الرئيسية لهذا النوع من العضلات الهوائية هو أنه لا توجد حركة احتكاك محتملة للمثانة ضد الغلاف الخارجي.
التحكم الحراري
إن عضلات SMA الاصطناعية ، في حين أنها خفيفة الوزن ومفيدة في التطبيقات التي تتطلب قوة كبيرة وتشريد ، تقدم أيضًا تحديات تحكم محددة ؛ وهي محدودة ، عضلات SMA الاصطناعية محدودة من خلال علاقات المدخلات والمخرجات الهستيرية وقيود النطاق الترددي. كما ون وآخرون. مناقشة ، فإن ظاهرة التحول المرحلة SMA هو “hysteretic” في أن الناتج SMA حبلا يعتمد على تاريخ مدخلاتها الحرارية. أما بالنسبة إلى قيود عرض النطاق الترددي ، فإن الاستجابة الديناميكية لمشغل SMA خلال عمليات التحوّل الطوري الهستيرية تكون بطيئة جدًا بسبب مقدار الوقت اللازم لنقل الحرارة إلى العضلة الاصطناعية SMA. لم يتم إجراء سوى القليل جدًا من الأبحاث حول مراقبة SMA بسبب الافتراضات التي تعتبر تطبيقات SMA كأجهزة ثابتة ؛ ومع ذلك ، فقد تم اختبار مجموعة متنوعة من أساليب التحكم لمعالجة مشكلة التحكم في اللاخطية الهستيرية.
بشكل عام ، تتطلب هذه المشكلة تطبيق إما تعويض الحلقة المفتوحة أو التحكم في ملاحظات الحلقة المغلقة. وفيما يتعلق بالتحكم في الحلقة المفتوحة ، فقد تم استخدام نموذج Preisach في كثير من الأحيان لهيكله البسيط وقدرته على المحاكاة والمراقبة السهلة (Hughes and Wen، 1995). أما بالنسبة للتحكم في الحلقة المغلقة ، فقد استخدم أسلوب قائم على السلبية لتحليل استقرار الحلقة المغلقة SMA (Madill and Wen، 1994). تقدم دراسة وين وآخرون مثالاً آخر على التحكم في التغذية المرتدة ذات الحلقة المغلقة ، مما يدل على ثبات التحكم في الحلقة المغلقة في تطبيقات SMA من خلال تطبيق مجموعة من التحكم في تغذية المرتجعات ومراقبة الموضع على حزمة الألومنيوم المرنة المشغلة بواسطة SMA المصنوع من الننتول.
تطبيقات
إن تقنيات العضلات الاصطناعية لها تطبيقات محتملة واسعة في آلات المحاكاة الحيوية ، بما في ذلك الروبوتات ، المحركات الصناعية والهياكل الخارجية. تقدم العضلات الاصطناعية القائمة على EAP مزيجا من الوزن الخفيف ، ومتطلبات الطاقة المنخفضة ، والمرونة وخفة الحركة للتنقل والتلاعب. سيكون لدى أجهزة EAP المستقبلية تطبيقات في مجال الطيران وصناعة السيارات والطب والروبوتات وآليات الاتصال والترفيه والرسوم المتحركة والألعاب والملابس والواجهات اللمسية واللمسية والتحكم في الضوضاء ومحولات الطاقة ومولدات الطاقة والهياكل الذكية.
كما توفر العضلات الاصطناعية التي تعمل بالهواء المضغوط مرونة أكبر وإمكانية التحكم وخفة الوزن مقارنةً بالأسطوانات الهوائية التقليدية. معظم تطبيقات PAM تنطوي على استخدام العضلات تشبه McKibben. تحتوي المحركات الحرارية مثل SMAs على العديد من التطبيقات العسكرية والطبية والسلامة والروبوتية ، ويمكن استخدامها أيضًا لتوليد الطاقة من خلال تغييرات الشكل الميكانيكي.