Umělé svaly, část 1. Historie a úvod do problematiky

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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/.