Umělé svaly: 4. díl

Základní princip je velmi jednoduchý: Umělý sval sestává z feromagnetického materiálu, který reaguje na okolní změny magnetického pole deformací, a to buď změnou délky, nebo zkroucením. Magnetické umělé svaly jsou zpravidla tvořeny poddajným elastomerovým materiálem a dále aktivním feromagnetickým materiálem.

Jedním z typů materiálů je tzv. ferrogel – jedná se o kompozitní materiál, tvořený elastomerovou matricí, v níž jsou rozptýleny částice feromagnetického materiálu. Takový materiál vVyniká svou tvarovou přizpůsobitelností a dále je možné na základě koncentrace feromagnetických částic lze ovlivnit přesný průběh jeho deformace i deformaci na požadovaný tvar.

Jako elastomer se často používá i polyvinyl alkohol, jehož velkou nevýhodou je rozpustnost ve vodě.

Další skupina magnetických aktuátorů se vyznačuje tím, že obsahuje pružný elastomer jako spojovací prvek aktivního materiálu – ten sestává buď z permanentních magnetů, nebo elektromagnetů.

V tomto případě spočívá princip ve fázové přeměně materiálu vlivem změny jeho teploty. Při vysoké teplotě je krystalická mřížka materiálu vysoce symetrická – jde zpravidla o některý druh kubické krystalické mřížky; tato fáze se nazývá austenit.

Při snížení teploty pod teplotu Ms (ze sousloví martenzit start) začíná docházet k transformaci kubické mřížky na méně symetrickou mřížku, například tetragonální nebo monoklinickou, a tato fáze se nazývá martenzit. Transformace probíhá až do snížení teploty na bod Mf (martenzit finish), kdy je celý objem materiálu ve fázi martenzitu. Taková změna fází je doprovázená objemovou deformací materiálu, čehož se právě využívá v aplikaci umělých svalů.

Jako materiály s tvarovou pamětí se výlučně používají výlučně slitiny niklu a titanu (známé pod názvem Nitinol) [1].

Pro označování slitin s tvarovou pamětí se běžně používá zkratka SMA z anglického termínu „smart memory alloys“. Stejným způsobem bude tato skupina označována i v tomto článku.

Magnetický umělý sval tvořený ferrogelem

V roce 2005, vznikl na technologické univerzitě v Singapuru, vznikl v roce 2005 magnetický umělý sval – funkční vzorek tvaru tyče, který je tvořen kompozitem magnetitu Fe3O4 a polyvinyl alkoholu PVA. Prášek magnetitu o velikosti zrn v řádu mikrometrů, který vykazuje feromagnetické vlastnosti, byl rozptýlen v rozměrově poddajném polyvinyl alkoholu v molárním podílu 1-–10 wt %. Koncentrací magnetitu lze navíc ovlivnit výsledný tvar deformace magnetického umělého svalu po jeho vložení do magnetického pole.

Experimenty ukázaly, že při maximální velikosti magnetické indukce 40 mT bylo dosaženo poměrného prodloužení tyče magnetického umělého svalu zhruba 36 % při velikosti napětí 0,2 MPa. Rychlost aktivace je velmi vysoká, srovnatelná s umělými svaly tvořenými dielektrickými elastomery. Jako problém se zatím jeví hysterezní chování.

Umělý sval tvořený ferrogelem lze použít pro pohon chapadel robotů. Jeho kostrukce je velmi jednoduchá a poskytuje neomezené možnosti při tvarování umělého svalu. Za větší nevýhodu lze považovat nutnost aktivovat umělý sval elektromagnetem, jenž který značně zvyšuje hmotnost pohonu [2].

Poddajný magnetický lineární motor

Skupina vědců z Ttechnologické univerzity v Drážďanech v čele s Christianem Urbanem navrhla v roce 2012 magnetický umělý sval, který sestává z trubice a akčního členu v trubici umístěného. Trubice je tvořena segmenty elektromagnetů diskového tvaru. Segmenty jsou vzájemně spojeny elastomerovými prstenci, jež umožňují deformaci umělého svalu. Akční člen tvaru tyče obsahuje segmenty s permanentními magnety, jež jsou rovněž spojeny elastomerovými spojkami [3].

Princip poddajného magnetického lineárního motoru je obdobný jako v případě elektrického krokového motoru –, střídavou aktivací elektromagnetů v trubici dochází k posuvu akčního členu. Míra posuvu je samozřejmě omezená délkou magnetického umělého svalu.

Poddajný magnetický lineární motor, pohled dovnitř [3]

Funkční vzorek poddajného magnetického lineárního motoru má tyto parametry: délka statoru je 253 mm a vnější rozměr 30 mm. Průměr akčního členu je 11 mm a jeho maximální vysunutí činí 115 mm po 20 krocích. Maximální frekvence kroků je 150 Hz, čemuž odpovídá rychlost téměř 0,9 m.s-1. Velikost statické síly je 31 N a velikost tažníé síly činí pouhé 3 N. Takto nízká hodnota tažné síly je způsobena smykovým třením mezi akčním členem a trubicí. Minimální poloměr ohybu je 100 mm [3].

Poddajný magnetický lineární motor [3]

SMA mikroaktuátory

Tým vědců z techniky v německém Braunschweigu v čele se Stephanusem Büttgenbachem ukázal, jakým způsobem lze jednoduše navrhnout mikro-chapadlo s pohonem z SMA fólie. Pro tento účel použili fólii ze slitiny niklu a titanu tloušťky 50 µm, jejíž požadovaný tvar byl dosažen řezáním laserem. Tvar umělého svalu byl navržen pro bezproblémovou aktivaci elektrickým proudem protékaným přímo svalem. Obsahuje celkem dva aktuátory.

Uložení umělého svalu je opatřeno třemi konektory s otvory pro upevnění šrouby; krajní konektory fungují jako fáze a střední konektor jako uzemnění elektrického vedení obou aktuátorů. Každý aktuátor má dvě věetve pro bezproblémový průchod elektrického proudu, konce aktuátorů jsou uloženy v otvorech mikro chapadla. Mikro-chapadlo je vyřezané ze silikonové destičky [4].

Elektro tepelně elastomerové pneumatické svaly

Elektro-tepelně elastomerové svaly byly navrženy na Národním institutu přírodních věd v Lyonu. Nejedná se sice o skupinu umělých svalů ze slitin s tvarovou pamětí, ale přesto tato skupina svalů spadá do oblasti umělých svalů aktivovaných teplem. Svaly se skládají z elastomerového pásku, na němž je nalepena latexová vrstva, která drží topnou spirálu vlnovcového tvaru. Podle očekávání by se elastomerový pásek při aktivaci měl začít roztahovat z důvodu teplotní roztažnosti. Ve skutečnosti se začne smršťovat. Důvod smrštění je tento: Před aktivací je elastomerový pásek natažen ve směru jeho největšího rozměru působením síly konstantní velikosti. Tím dochází ke zvýšení míry orientace makromolekulových řetězců.

Zvýšení míry orientace makromolekulových řetězců má za následek snížení entropie (stavu neuspořádanosti). Po zahřátí elastomerového materiálu dochází podle prvního termodynamického zákona ke zvýšení vnitřní energie a rovněž ke zvýšení entropie. Zvýšením entropie má elastomerový pásek tendenci snížit stav uspořádanosti, čímž se sníží míra orientace molekulových řetězců a pásek se tím pádemtak smršťuje.

Parametry zkušebního vzorku podle [5] jsou následující: Vnější rozměry umělého svalu jsou 50 mm x 22 mm x 150 µm. Tloušťka elastomerového pásku je 50 µm. Při zahřátí pásku z teploty 0 °C na teplotu 60 °C byla naměřena hodnota poměrného smrštění 2,3 %. Podle [5] bylo dosaženo účinnosti pouze 0,024 %.

Schéma elektro tepelně elastomerového umělého svalu [5]

Test umělého svalu [5]

Co se týká vysoké hmotnosti pohonu, ta je zapříčiněná nutností generovat proměnné magnetické pole. Proměnné magnetické pole lze generovat právě soustavou elektromagnetů, které zvyšují hmotnost celého pohonu i v případě použití ferrogelu, jenž dosahuje obecně nízkých hodnot měrné hmotnosti (hustoty materiálu). Přehledně viz tabulka:

Pro zvětšení klikněte na tabulku.

Magnetické umělé svaly jsou ve stavu laboratorního testování, ale jejich komerční použití je možné. Podle autorů článku by mohly nahradit právě SMA umělé svaly, a to v oblasti robotických chapadel.

Co se týká jednoduchosti konstrukce, umělé svaly se slitinami s tvarovou pamětí nevyžadují žádné další prvky pohonu. Vzhledem k tomu, že slitiny v podobě drátů se vyznačují elektrickou vodivostí, lze je pro dosažení jejich aktivace zapojit do elektrického obvodu. Díky optimálnímu elektrickému odporu vzniká průtokem elektronů Jouleovo teplo, čímž dochází k aktivaci. Do výchozího stavu se tyto umělé svaly dostávají ochlazením na teplotu okolí.

Aktivace a deaktivace umělých svalů se slitinami s tvarovou pevností je velmi pomalá kvůli pomalému ohřevu a ochlazování. Tuto nevýhodu lze částečně potlačit elektrickými pulzy, díky nimž dochází k velmi rychlému ohřevu.

Pro zvětšení klikněte na tabulku.

Ačkoliv není tento druh pohonu příliš známý, nalézá uplatnění v chapadlech průmyslových robotů. Zde se ukazuje výhoda velmi jednoduché a kompaktní konstrukce. Pohon chapadel nevyžaduje velký zdvih, nedochází tedy k omezení parametrů chapadel. Takové chapadlo může mít velký počet stupňů volnosti, může například obsahovat samostatně pohyblivé prsty.

Díky velmi nízké účinnosti se ale však neočekává větší uplatnění než právě v robotice v konstrukci chapadel nebo obecně v technice pro ovládání ventilů nebo či klapek.

Fakulta strojního inženýrství, VUT v Brně

Petr Kočiš, Radek Knoflíček

knoflicek@fme.vutbr.cz

Seznam použité literatury a tabulky s klíčovými parametry obou typů umělých svalů:

Pro zvětšení klikněte na tabulku.

Pro zvětšení klikněte na tabulku.

Použité zdroje:
[1] Josiek, Robert. Paměťové materiály. Brno, 2010. Bakalářská práce. VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství. Vedoucí práce Eva Novotná.

[2] Ramanujan, R. V. and Lao, L. L. Lao. 2006. „"The Mechanical Behavior of Smart Magnet-Hydrogel Composites.“" Smart Materials and Structures 15 (4): 952-–956. doi:10.1088/0964-1726/15/4/008.

[3] Urban, C., R. Günther, R.,T. Nagel, T., R. Richter, R., and R. Witt,. R. 2012. „"Development of a Bendable Permanent-Magnet Tubular Linear Motor.“" IEEE Transactions on Magnetics 48 (8): 2367-–2373. doi:10.1109/TMAG.2012.2190613.

[4] Büttgenbach, S., S. Bütefisch, S.,M. Leester-Schädel, M. and A. Wogersien, A. 2001. „"Shape Memory Microactuators.“" Microsystem Technologies 7 (4): 165–-170. doi:10.1007/s005420000082.

[5] Cottinet, P. -J., D. Guyomar, J. Galineau, J. and G. Sebald, G.. 2012. „"Electro-Thermo-Elastomers for Artificial Muscles.“" Sensors and Actuators, A: Physical 180: 105–-112. doi:10.1016/j.sna.2012.04.016.

[6] Madden, J. D. W., Vandesteeg, N. A., Anquetil, P. A., Madden, P. G. A., Takshi, A., Pytel, R. Z., Lafontaine, S. R., Wieringa, P. A., and Hunter, I. W. 2004. "“Artificial Muscle Technology: Physical Principles and Naval Prospects.:" IEEE Journal of Oceanic Engineering 29 (3): 706–-728. doi:10.1109/JOE.2004.833135.