Témata
Reklama

Umělé svaly, část 1. Historie a úvod do problematiky

Téma umělých svalů obecně spadá do oblasti pohonů strojů a zařízení. Jedná se o poměrně moderní typ pohonu. S jejich nasazením se v současné době počítá především u humanoidních nebo mobilních robotů, ale předpokládá se, že v budoucnu budou schopné nahradit konvenční pohony, které jsou v prvním kvartálu 21. století zastoupeny hlavně pohony se spalovacími motory nebo elektromotory.

Z historického hlediska lze uvažovat dobu do 19. století, než byl rozšířen parní stroj, kdy se jako pohon v dopravě a zemědělství používalo domácí zvířectvo (dobytek). Nástup parního stroje způsobil v 19. století první etapu průmyslové revoluce. Jednalo se o první typ pohonu vymyšlený člověkem, který se rozšířil v masovém měřítku. Uplatnil se nejen v dopravě, ale i v energetice nebo výrobním sektoru průmyslu, což byla vlastně nově vznikající odvětví průmyslu. Ačkoliv vynález parního stroje je připisován Jamesi Wattovi (roku 1765), spatřil světlo světa o několik let dříve díky Thomasovi Newcomenovi. Za počátek první etapy průmyslové revoluce se považuje rok
Lamelové přípojnice.

Reklama
Reklama
Vynález parního stroje je připisován Jamesi Wattovi (roku 1765). K první jeho realizaci však již došlo o několik let dříve, a to díky Thomasovi Newcomenovi.

Druhou etapu průmyslové revoluce odstartovala rozsáhlá elektrifikace. Z pohledu pohonové techniky lze v tomto období sledovat prudký rozvoj elektrických pohonů i pohonů se spalovacími motory. Start druhé průmyslové revoluce se připisuje roku 1870. Tato etapa definovala druhy pohonů, které se používají dodnes. Třetí etapa průmyslové revoluce, datovaná k roku 1969, nové druhy pohonů sice nepřinesla, ale zásadně ovlivnila kvalitu těch stávajících. Příčina vzniku třetí etapy průmyslové revoluce spočívá ve vynálezu mikroprocesoru i rozvoji počítačové techniky a elektrotechniky [5]. Dochází k rozvoji řízení pohonů se zpětnou vazbou, díky čemuž je možné řídit polohu, rychlost i zrychlení nejen elektrických pohonů. Třetí etapu průmyslové revoluce lze považovat za období digitalizace, automatizace a robotizace. Objevují se první nekonvenční pohony, ale zatím nejsou příliš využitelné.

Belgičan Jenatzy překonal s elektromobilem ve tvaru připomínajícím doutník v roce 1899 jako první na světě rychlost 100 km/hod.

Stojíme na prahu čtvrté etapy průmyslové revoluce. Základní myšlenka pochází z roku 2011 a jedná se o nástup autonomních továren, které budou plně řízeny inteligentními systémy. Očekává se vzestup umělé inteligence, který bude více a více pronikat jako běžná vlastnost či charakteristika u strojů a zařízení z nejrůznějších oborů a oblastí lidské činnosti.

První průmyslové spalovací motory byly konstrukčně odvozeny od ležatého parního stroje. Z roku 1876 pochází první čtyřdobý motor s kompresí (tzv. Ottův cyklus).

Právě elektropohony jsou v současné době asi nejvýhodnějším typem pohonů jak pro použití v prostředcích osobní i hromadné dopravy, tak obecně pro použití v robotice. Nutno poznamenat, že právě robotika, oblast průmysu rozvinutá během třetí etapy průmyslové revoluce, by nemohla existovat ve velkém měřítku bez elektropohonů. Především v robotice se však začíná projevovat jejich velká nevýhoda, a sice nepříznivý poměr hmotnosti pohonu k výkonu. Za další nevýhodu lze obecně považovat nutnost osazovat pohony převodovými systémy pro dosažení potřebné síly (popřípadě momentu síly) pohonu a pro redukci vysokých otáček elektromotorů. Převodové systémy snižují účinnost pohonu a dále navyšují poměr hmotnosti pohonu k výkonu. Konstrukce elektrických motorů jako prvků elektropohonů vyžaduje množství měděného materiálu, což je prvek, který je stále vzácnější, a jeho výroba, počínaje těžbou rudy a konče jejím poměrně obtížným zpracováním, bude pravděpodobně čím dál dražší, což se nepříznivě projeví na ceně elektropohonu. Dá se předpokládat, že v souvislosti se vznikem plně autonomních továren se bude poptávka po pohonné technice stále zvyšovat.

Tesla Motors je automobilka ze Silicon Valley, která navrhuje a sériově vyrábí elektromobily. Firma je pojmenována po elektroinženýrovi a fyzikovi Nikolovi Teslovi.

Nekonvenční pohony

Díky výše popsaným problémům se do popředí začnou dostávat nekonvenční pohony [4]. Jedná se o poměrně širokou skupinu pohonů, jejichž podstata fungování se zakládá na jiných fyzikálních principech, než jsou principy termodynamiky či elektromagnetického pole. Nekonvenční pohony jsou v hojné míře tvořeny pokročilými, tzv. chytrými materiály, v anglicky psané literatuře označovanými jako smart materials. Tyto materiály jsou tvořeny polymery, které jsou schopny reagovat na změny vlastností okolí, jako například změny elektrochemického potenciálu, teploty, elektrostatického pole, magnetického pole, ale i světelného toku změnou svého objemu nebo tvaru. Podstata změny objemu nebo tvaru většiny chytrých materiálů je elektrická; aktivací chytrých materiálů dochází vlivem změny velikostí nebo směrů mezimolekulových vazebních sil, tzv. slabých interakcí nebo v některých případech dokonce vlivem změny velikostí nebo směrů meziatomových vazebních sil, tzv. silných interakcí (obě interakce jsou elektrického charakteru) ke změnám buď tvaru makromolekulového řetězce nebo vzdáleností nebo polohy mezi makromolekulami.

Shrnutím výše uvedených faktů lze tvrdit, že oblast nekonvenčních pohonů zahrnuje skupinu poddajných aktuátorů, kam právě zapadají umělé svaly. Seriál se tedy bude zabývat pouze malou částí nekonvenčních pohonů. Tato malá část nekonvenčních pohonů se ale těší obrovskému zájmu vývojových pracovišť napříč celým světem.

Správná terminologie

Než budou popsány principy umělých svalů, je vhodné vyjasnit si základní pojmy, které se v problematice umělých svalů nejčastěji používají. Jsou to samotné umělé svaly, pohony a aktuátory, dále chytré materiály (smart materials), poddajné aktuátory (soft actuators nebo compliant actuators). Pohony jsou obecně části zařízení, které umožňují strojům a zařízením vykonávat práci. Konvenční pohony sestávají z motorů, převodovek a popřípadě i z dalších prvků, které umožňují řízení polohy, rychlosti nebo zrychlení pohonu. Aktuátory lze definovat jako pohony schopné vykonávat přímočarý pohyb. Umělé svaly lze charakterizovat jako poddajné aktuátory, protože se jedná o pohony vykonávající translační pohyb a díky své tvarové poddajnosti je lze aplikovat pro pohon tvarově složitých soustav. Označení těchto typů pohonů pojmem umělé svaly zde není proto, že by fungovaly na obdobném principu jako živočišné svaly, ale právě díky jejich tvarové poddajnosti a prostorové topologii.

Etapy průmyslové revoluce a éry pohonů

Rozdělení umělých svalů

Aby bylo možné nějakým způsobem provést rozdělení umělých svalů, musejí být stanoveny na základě přijatých hledisek jisté kategorie či členění podle charakteristických znaků. Klíčovou kategorií je druh umělého svalu (fyzikální princip, jakým způsobem umělý sval funguje). Kromě druhu umělého svalu (fyzikálního principu) je důležitým kritériem zdroj energie a aktivace. Rozdělení umělých svalů graficky zobrazuje poslední obrázek. Převažujícím zdrojem energie je elektrická energie. V mnoha publikacích [1, 2] je považována za jediný zdroj energie. Zdrojem energie však pro SMA, SMP nebo polystrukturní kompozity může být samotné teplo (tepelná energie). Jako jistou pozoruhodnost lze podle zdroje [3] vypozorovat již teroreticky popsaný princip přeměny světelné energie přímo na mechanický pohyb. Na druhou stranu je nutné poznamenat, že elektrická energie může být zdrojem pro všechny typy umělých svalů. Umělé svaly lze aktivovat několika způsoby. K aktivaci elektrickým proudem dochází u svalů, které jsou tvořeny kompozity iontových polymerů a ušlechtilých kovů, tekutými krystaly z elastomerů nebo elektricky vodivých polymerů. Dalším způsobem aktivace je elektrické pole. V tomto případě nezáleží primárně na elektrickém proudu, ale na elektrickém náboji. K aktivaci elektrickým polem dochází u piezoelektrických aktuátorů, elektrostrikčních aktuátorů, dále u aktuátorů s dielektrickými elastomery nebo uhlíkovými nanotrubičkami.

Rozdělení umělých svalůAktuátory aktivované magnetickým polem jsou spíše okrajovou záležitostí. Jedná se o pohony, jejichž aktivními materiály jsou kompozity feromagnetických nanočástic v dielektrických elastomerech. V tomto případě je podstatným požadavkem právě jejich tvarová poddajnost. Hydrogely patří mezi aktivní materiály aktuátorů aktivovaných změnou chemických vlastností. Ty (především změnu pH) vyvolává sice elektrický proud, ale elektrický proud sám o sobě není příčinou vykovávání pohybu aktuátoru. Prvním typem umělých svalů byly pneumatické (popřípadě hydraulické) umělé svaly. Ty jsou aktivované mechanickou potenciální energií stlačeného vzduchu. Aktivace aktuátorů změnou vnitřní energie dochází u slitin kovů nebo polymerů s tvarovou pamětí, popřípadě u polystrukturních kompozitů. Základním principem je buď rozdílná teplotní roztažnost dvou, popřípadě více materiálů, nebo fázové změny materiálu při různých teplotách. Zdrojem energie pro dosažení rozdílné vnitřní energie částic může být elektrická energie (průchodem elektrickým vodičem s měrným odporem vzniká Jouleovo teplo, které zahřívá materiál) nebo přímo teplo. Posledním způsobem aktivace je aktivace světlem. Na tomto základě fungují speciální materiály tvořící tekuté krystaly [3].

V tomto díle seriálu bylo popsáno vymezení problematiky umělých svalů a jejich zařazení. Druhý díl bude věnován pneumatickým umělým svalům, které jsou jako jediné na trhu již zhuba dvě desetiletí. Třetí díl bude pojednávat o umělých svalech s dielektrickými elastomery, což je druh pohonu, který je téměř připraven na komerční nasazení. V dalších dílech bude čtenář obeznámen s ostatními druhy, přičemž většina z nich zatím spadá do oblasti laboratorního vývoje.

Fakulta strojního inženýrství, VUT v Brně

Petr Kočiš, Radek Knoflíček

knoflicek@fme.vutbr.cz

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

[2] P. Brochu and Q. Pei. „Advances in Dielectric Elastomers for Actuators and Artificial Muscles“, in: Macromolecular Rapid Communications 31 (1). S 10–36. 2010, doi:10.1002/marc.200900425.

[3] S. Iamsaard, S. J. Aßhoff, B. Matt, T. Kudernac, J. J. L. M. Cornelissen, S. P. Fletcher and N. Katsonis. „Conversion of Light into Macroscopic Helical Motion“, in: Nature Chemistry 6 (3). S. 229–235. 2014, doi:10.1038/nchem.1859.

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

[5] „Co znamená čtvrtá průmyslová revoluce?“, last modified October 29, 2015, //www.konstrukter.cz/2015/10/29/co-znamena-ctvrta-prumyslova-revoluce/.

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 160107
Datum: 10. 02. 2016
Rubrika: Servis / Zajímavosti
Autor:
Firmy
Související články
Integrovaný obvod o tloušťce jedné molekuly

Lidstvo již zvládlo přeměňovat světlo na elektřinu a vytvořit akumulátory, v nichž nedochází k chemickým reakcím. Problémem však je, že tyto přístroje mají velmi nízkou účinnost. Nejlepších parametrů by se dosáhlo při použití polovodičů o tloušťce jediné molekuly. A ty se nyní naučili vyrábět vědci z ruského institutu MISiS, který je partnerem ruské korporace pro atomovou energii Rosatom.

Atraktivní projekty - Vojenská základna plná tajemství

V rámci pěstování vztahů s veřejností – public relations – se v Americe nejen soukromé firmy, ale i vládní organizace snaží vycházet zájemcům vstříc a pořádají různé dny otevřených dveří. Tak jsem měl možnost prohlédnout si například Pentagon, ale i vojenskou základnu v Novém Mexiku, kde se testovaly atomové bomby.

Oprava Karlova mostu: II. etapa

Jak již bylo uvedeno v článku v minulém vydání popisující I. etapu opravy, Karlův most je nejen historickou a kulturní památkou, ale také výjimečným technickým dílem, které slouží svému účelu 655 let. Je středem zájmu jak odborných institucí, tak i prostých občanů a je pochopitelné, že oprava vyvolala širokou, místy velmi kritickou diskuzi, vedoucí až ke sporům. Nebylo vždy snadné věnovat maximální úsilí opravě mostu a současně vyvracet šířené nepravdy.

Související články
Diskutovaný Průmysl 4.0

Fenomén Průmysl 4.0, nastínění možných směrů vývoje a příprava společnosti na změny způsobené novými technologiemi – to jsou diskutovaná témata konferencí a seminářů současnosti. Podpora výzkumu a vývoje se musí soustřeďovat na technologicky významné oblasti vycházející z potřeb české průmyslové praxe. Odborníci zdůrazňují potřebu vzdělávání a zvyšování kvalifikace zaměstnanců.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Inovace. Co to vlastně je?

Vděčné sexy téma, o kterém rádi všichni mluví, ale nikdo pořádně neví, jak je skutečně realizovat. Celá řada hvězdiček, jimž se podařilo inovovat sebevětší pitominu a s ní nějak uspět na našem malém hladovém lokálním trhu se cítí být vyvoleni rozdávat moudra. Zasvěcený člověk se pak nestačí divit.

Lipsko letos jenom digitálně

Tradiční dvojice veletrhů pro oblast strojírenství a subdodavatelského průmyslu Intec a Z v Lipsku se letos uskuteční v termínu 2.–3. března 2021 výhradně digitálně pod názvem „Intec/Z connect“. Společnost Leipziger Messe, pořadatel veletrhu, se takto rozhodla, neboť současný vývoj koronavirové pandemie a s tím spojená omezení neumožňují takto velkou akci smysluplně realizovat klasickou ani hybridní formou

Opřít se o silného partnera

V dnešní době hospodářského růstu mnoho firem přemýšlí o rozšíření výroby. To se však neobejde bez úvah o tom, kde získat prostředky na nové stroje a zařízení. Řešení má jméno SGEF.

Novinky ze světa 3D tisku

V uplynulém měsíci se v české kotlině seběhlo několik akcí, jejichž společným jmenovatelem byl průmyslový 3D tisk. Představeny byly nové produkční 3D tiskárny, profesionální tiskové materiály a zapomenout nesmíme ani na největší z těchto akcí, výstavu a konferenci 3dexpo.

Evropa inovuje: Spojené království

Londýnská vláda může inspirovat tu naši v oblasti vědy a výzkumu, v oblasti spolupráce univerzit a podniků, jakož i v transferu akademických výsledků do průmyslových aplikací. V těchto oblastech za Spojeným královstvím v poměrovém hledisku zaostáváme. Pojďme společně nahlédnout pod pokličku inovací made in UK.

Příklady táhnou aneb mladí budiž inspirací

Téměř na všech tuzemských technických fakultách (až na čestné výjimky) permanentně klesá počet studentů. Důvodem není v globálním pojetí snižující se zájem mladé generace o studium na vysokých školách. Naopak, humanitní obory na veřejnoprávních školách či ekonomické a manažerské na těch soukromých se těší čím dál většímu zájmu. Přesto pokračuje trend snižování zájmu o studium technických oborů i přes skutečnost, že právě po těchto absolventech a žádných jiných je v praxi zvyšující se poptávka a do budoucna tomu s ohledem na vývoj hi-tech techniky nebude jinak. Přesto se absolventi středních škol stále hlásí na humanitní obory, po jejichž vystudování získávají stále obtížněji uplatnění a nakonec končí například i jako pokladní v supermarketech.

Nasazení řídicího systému v teplárně Náchod

Koncem května tohoto roku dokončila společnost ZAT v teplárně Náchod výměnu vstupně výstupních modulů v demi-stanici. Implementovaly se zde moduly B&R s převedením řízení pod nový řídicí systém SandRA, které tak navázalo na implementaci nového řídicího systému z podzimu loňského roku.

Postřehy z veletrhu Automatica

Letošní mnichovský veletrh Automatica 2012 se těšil značnému zájmu vystavovatelů (720) i návštěvníků (31 000). Téma automatizace výroby se poměrně rychle dostává po předchozí hospodářské krizi opět do popředí, jak ostatně ukazují i statistiky VDMA, německého oborového svazu výrobců strojů a zařízení. Podle těchto údajů, bylo už v roce 2010 - necelý rok po poklesu světové ekonomiky, dodáno v rámci celého světa přes 118 000 robotických jednotek, což je dvakrát tolik co v roce 2009, o dalších 18 % narostly dodávky v roce 2011 a prognóza pro roky 2012 až 2014 uvažuje s dalším 6% nárůstem nových ročních aplikací až na počet 167 000 jednotek. Na celém světě by tak mělo být v roce 2014 už kolem 1,3 mil. průmyslových robotů a kolem 17 mil. servisních robotů.

RCMT - 20 let ve výzkumu obráběcích strojů (2. část)

Před 20 lety se začaly psát dějiny novodobé tuzemské výzkumné základny strojírenské výrobní techniky. Tento příspěvek nahlíží na klíčové milníky na jeho cestě očima aktérů, kteří stáli a stojí po jeho boku. Vydejme se společně na cestu, která formovala dnešní podobu Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii RCMT (Research Center of Manufacturing Technology) při FS ČVUT v Praze.

Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit