Los músculos artificiales , también conocidos como actuadores similares a músculos , son materiales o dispositivos que imitan el músculo natural y pueden cambiar su rigidez, contraerse, expandirse o rotar de manera reversible dentro de un componente debido a un estímulo externo (como voltaje, corriente, presión o temperatura). ). [1] Las tres respuestas de actuación básicas: contracción, expansión y rotación se pueden combinar en un solo componente para producir otros tipos de movimientos (p. Ej., Doblar, contraer un lado del material mientras se expande el otro lado). Los motores convencionales y los actuadores neumáticos lineales o rotativos no califican como músculos artificiales, porque hay más de un componente involucrado en el accionamiento.
Debido a su alta flexibilidad, versatilidad y relación potencia / peso en comparación con los actuadores rígidos tradicionales, los músculos artificiales tienen el potencial de ser una tecnología emergente altamente disruptiva . Aunque actualmente tiene un uso limitado, la tecnología puede tener amplias aplicaciones futuras en la industria, la medicina, la robótica y muchos otros campos. [2] [3] [4]
Comparación con los músculos naturales.
Si bien no existe una teoría general que permita comparar los actuadores, existen "criterios de potencia" para las tecnologías de músculos artificiales que permiten la especificación de nuevas tecnologías de actuadores en comparación con las propiedades musculares naturales. En resumen, los criterios incluyen tensión , deformación , velocidad de deformación , ciclo de vida y módulo elástico . Algunos autores han considerado otros criterios (Huber et al., 1997), como la densidad del actuador y la resolución de deformaciones. [ cita requerida ] A partir de 2014, las fibras musculares artificiales más poderosas que existen pueden ofrecer un aumento de cien veces en potencia sobre longitudes equivalentes de fibras musculares naturales. [5]
Los investigadores miden la velocidad, la densidad de energía , la potencia y la eficiencia de los músculos artificiales; ningún tipo de músculo artificial es el mejor en todas las áreas. [6]
Tipos
Los músculos artificiales se pueden dividir en tres grupos principales según su mecanismo de actuación. [1]
Accionamiento de campo eléctrico
Los polímeros electroactivos (EAP) son polímeros que pueden activarse mediante la aplicación de campos eléctricos. Actualmente, los EAP más destacados incluyen polímeros piezoeléctricos, actuadores dieléctricos (DEA), elastómeros de injerto electroestrictivos , elastómeros de cristal líquido (LCE) y polímeros ferroeléctricos. Si bien estos EAP pueden doblarse, su baja capacidad para el movimiento de torsión actualmente limita su utilidad como músculos artificiales. Además, sin un material estándar aceptado para la creación de dispositivos EAP, la comercialización ha seguido siendo poco práctica. Sin embargo, se ha logrado un progreso significativo en la tecnología EAP desde la década de 1990. [7]
Actuación basada en iones
Los EAP iónicos son polímeros que pueden activarse mediante la difusión de iones en una solución de electrolito (además de la aplicación de campos eléctricos). Los ejemplos actuales de polímeros electroactivos iónicos incluyen geles de polielectrodos, compuestos metálicos de polímeros ionoméricos (IPMC), polímeros conductores y fluidos electrorreológicos (ERF). En 2011, se demostró que los nanotubos de carbono retorcidos también podían activarse aplicando un campo eléctrico. [8]
Accionamiento neumatico
Los músculos artificiales neumáticos (PAM) funcionan llenando una vejiga neumática con aire presurizado. Al aplicar presión de gas a la vejiga, se produce una expansión de volumen isotrópica, pero está confinada por alambres trenzados que rodean la vejiga, traduciendo la expansión de volumen a una contracción lineal a lo largo del eje del actuador. Los PAM pueden clasificarse por su funcionamiento y diseño; concretamente, los PAM se caracterizan por funcionamiento neumático o hidráulico, funcionamiento por sobrepresión o depresión, membranas trenzadas / enredadas o incrustadas y membranas de estiramiento o membranas de reordenamiento. Entre los PAM más utilizados en la actualidad se encuentra un músculo trenzado cilíndrico conocido como Músculo McKibben, que fue desarrollado por primera vez por JL McKibben en la década de 1950. [9]
Actuación térmica
Sedal
Los músculos artificiales construidos con hilo de pescar e hilo de coser ordinarios pueden levantar 100 veces más peso y generar 100 veces más energía que un músculo humano de la misma longitud y peso. [10] [11] [12]
Los músculos artificiales basados en hilo de pescar ya cuestan órdenes de magnitud menos (por libra) que la aleación con memoria de forma o el hilo de nanotubos de carbono; pero actualmente tienen una eficiencia relativamente baja. [6]
Las macromoléculas individuales se alinean con la fibra en fibras poliméricas disponibles comercialmente . Al enrollarlos en bobinas, los investigadores crean músculos artificiales que se contraen a velocidades similares a los músculos humanos. [13]
Una fibra de polímero (sin torcer), como el hilo de pescar de polietileno o el hilo de coser de nailon, a diferencia de la mayoría de los materiales, se acorta cuando se calienta, hasta aproximadamente un 4% para un aumento de temperatura de 250 K. Al retorcer la fibra y enrollar la fibra retorcida en una bobina, el calentamiento hace que la bobina se apriete y acorte hasta en un 49%. Los investigadores encontraron otra forma de enrollar la bobina de modo que el calentamiento provoque que la bobina se alargue en un 69%. [14]
Una aplicación de los músculos artificiales activados térmicamente es abrir y cerrar ventanas automáticamente, respondiendo a la temperatura sin usar energía. [13]
Los diminutos músculos artificiales compuestos por nanotubos de carbono retorcidos llenos de parafina son 200 veces más fuertes que los músculos humanos. [15]
Aleaciones con memoria de forma
Las aleaciones con memoria de forma (SMA), los elastómeros cristalinos líquidos y las aleaciones metálicas que pueden deformarse y luego volver a su forma original cuando se exponen al calor, pueden funcionar como músculos artificiales. Los músculos artificiales basados en actuadores térmicos ofrecen resistencia al calor, resistencia al impacto, baja densidad, alta resistencia a la fatiga y una gran generación de fuerza durante los cambios de forma. En 2012, se demostró una nueva clase de músculos artificiales libres de electrolitos activados por campos eléctricos llamados "actuadores de hilo trenzado", basados en la expansión térmica de un material secundario dentro de la estructura trenzada conductora del músculo. [1] [16] También se ha demostrado que una cinta de dióxido de vanadio enrollada puede torcerse y desenrollarse a una velocidad de torsión máxima de 200.000 rpm. [17]
Sistemas de control
Los tres tipos de músculos artificiales tienen diferentes restricciones que afectan el tipo de sistema de control que requieren para su actuación. Sin embargo, es importante señalar que los sistemas de control a menudo están diseñados para cumplir con las especificaciones de un experimento dado, y algunos experimentos requieren el uso combinado de una variedad de actuadores diferentes o un esquema de control híbrido. Como tal, los siguientes ejemplos no deben tratarse como una lista exhaustiva de la variedad de sistemas de control que pueden emplearse para activar un músculo artificial dado.
Control de EAP
Los polímeros electroactivos (EAP) ofrecen un menor peso, una respuesta más rápida, una mayor densidad de potencia y un funcionamiento más silencioso en comparación con los actuadores tradicionales. [18] Tanto los EAP eléctricos como los iónicos se activan principalmente mediante lazos de control de retroalimentación, más conocidos como sistemas de control de circuito cerrado. [19]
Control neumatico
Actualmente existen dos tipos de Músculos Artificiales Neumáticos (PAM). El primer tipo tiene una vejiga única rodeada por una manga trenzada y el segundo tipo tiene una vejiga doble.
Vejiga única rodeada por una manga trenzada
Los músculos artificiales neumáticos, aunque livianos y económicos, plantean un problema de control particularmente difícil, ya que son altamente no lineales y tienen propiedades, como la temperatura, que fluctúan significativamente con el tiempo. Los PAM generalmente consisten en componentes de caucho y plástico. A medida que estas partes entran en contacto entre sí durante la actuación, la temperatura del PAM aumenta, lo que finalmente conduce a cambios permanentes en la estructura del músculo artificial con el tiempo. Este problema ha dado lugar a una variedad de enfoques experimentales. En resumen (proporcionado por Ahn et al.), Los sistemas de control experimental viables incluyen control PID, control adaptativo (Lilly, 2003), control predictivo óptimo no lineal (Reynolds et al., 2003), control de estructura variable (Repperger et al., 1998). ; Medrano-Cerda et al., 1995), programación de ganancias (Repperger et al., 1999) y varios enfoques de computación blanda que incluyen el control del algoritmo de entrenamiento de Kohonen de red neuronal (Hesselroth et al., 1994), el control de PID de red neuronal / no lineal ( Ahn y Thanh, 2005) y control genético / neuro-difuso (Chan et al., 2003; Lilly et al., 2003).
Los problemas de control relacionados con sistemas altamente no lineales generalmente se han abordado mediante un enfoque de prueba y error mediante el cual se pueden extraer "modelos difusos" (Chan et al., 2003) de las capacidades de comportamiento del sistema (a partir de los resultados experimentales del sistema específico). siendo probado) por un experto humano con conocimientos. Sin embargo, algunas investigaciones han empleado "datos reales" (Nelles O., 2000) para entrenar la precisión de un modelo difuso dado y al mismo tiempo evitar las complejidades matemáticas de modelos anteriores. El experimento de Ahn et al. Es simplemente un ejemplo de experimentos recientes que utilizan algoritmos genéticos modificados (MGA) para entrenar modelos difusos utilizando datos experimentales de entrada y salida de un brazo de robot PAM. [20]
Vejiga doble
Este actuador consta de una membrana externa con una membrana interna flexible que divide el interior del músculo en dos porciones. Un tendón se fija a la membrana y sale del músculo a través de una manga para que el tendón pueda contraerse en el músculo. Un tubo permite que entre aire en la vejiga interna, que luego se desplaza hacia la vejiga externa. Una ventaja clave de este tipo de músculo neumático es que no existe un movimiento potencialmente frictivo de la vejiga contra un manguito exterior.
Control termal
Los músculos artificiales SMA, aunque livianos y útiles en aplicaciones que requieren gran fuerza y desplazamiento, también presentan desafíos de control específicos; es decir, los músculos artificiales de la AME están limitados por sus relaciones histeréticas de entrada y salida y las limitaciones del ancho de banda. Como Wen et al. discutimos, el fenómeno de transformación de fase de SMA es "histerético" en el sentido de que la hebra de SMA de salida resultante depende de la historia de su entrada de calor. En cuanto a las limitaciones de ancho de banda, la respuesta dinámica de un actuador SMA durante las transformaciones de fase histerética es muy lenta debido a la cantidad de tiempo necesario para que el calor se transfiera al músculo artificial SMA. Se ha realizado muy poca investigación con respecto al control de SMA debido a suposiciones que consideran las aplicaciones de SMA como dispositivos estáticos; sin embargo, se han probado una variedad de enfoques de control para abordar el problema de control de la no linealidad histerética.
Generalmente, este problema ha requerido la aplicación de compensación de lazo abierto o control de retroalimentación de lazo cerrado. Con respecto al control de bucle abierto , el modelo de Preisach se ha utilizado a menudo por su estructura simple y su capacidad para una fácil simulación y control (Hughes y Wen, 1995). En cuanto al control de circuito cerrado, se ha utilizado un enfoque basado en la pasividad que analiza la estabilidad de circuito cerrado de SMA (Madill y Wen, 1994). El estudio de Wen et al. Proporciona otro ejemplo de control de retroalimentación de circuito cerrado, que demuestra la estabilidad del control de circuito cerrado en aplicaciones SMA mediante la aplicación de una combinación de control de retroalimentación de fuerza y control de posición en una viga de aluminio flexible accionada por un SMA hecho de Nitinol . [21]
Control químico
Los polímeros quimomecánicos que contienen grupos que son sensibles al pH o sirven como sitio de reconocimiento selectivo para compuestos químicos específicos pueden servir como actuadores o sensores. [22] Los geles correspondientes se hinchan o encogen de forma reversible en respuesta a tales señales químicas. Se puede introducir una gran variedad de elementos de reconocimiento supramolulecular en polímeros formadores de gel , que pueden unirse y usarse como iniciadores de iones metálicos, diferentes aniones, aminoácidos, carbohidratos, etc. Algunos de estos polímeros exhiben una respuesta mecánica solo si se utilizan dos químicos o iniciadores diferentes. presente, actuando así como puertas lógicas. [23] Estos polímeros quimiomecánicos también son prometedores para la administración de fármacos dirigida . Los polímeros que contienen elementos absorbentes de luz pueden servir como músculos artificiales controlados fotoquímicamente.
Aplicaciones
Las tecnologías de los músculos artificiales tienen amplias aplicaciones potenciales en máquinas biomiméticas , incluidos robots, actuadores industriales y exoesqueletos motorizados . Los músculos artificiales basados en EAP ofrecen una combinación de peso ligero, requisitos de baja potencia, resistencia y agilidad para la locomoción y la manipulación. [2] Los futuros dispositivos EAP tendrán aplicaciones en la industria aeroespacial, automotriz, medicina, robótica, mecanismos de articulación, entretenimiento, animación, juguetes, ropa, interfaces táctiles y hápticas, control de ruido, transductores, generadores de energía y estructuras inteligentes. [3]
Los músculos artificiales neumáticos también ofrecen mayor flexibilidad, controlabilidad y ligereza en comparación con los cilindros neumáticos convencionales. [24] La mayoría de las aplicaciones de PAM implican la utilización de músculos similares a McKibben. [24] Los actuadores térmicos como los SMA tienen varias aplicaciones militares, médicas, de seguridad y robóticas y, además, podrían usarse para generar energía a través de cambios mecánicos de forma. [25]
Ver también
- Célula artificial
- Nariz electrónica
- Piel electrónica
Referencias
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