Témata
Reklama

Umělé svaly, část 3: Dielektrické elastomery, 2. díl

Náš seriál pokročil do 21. století, ve kterém se téma umělých svalů stále častěji spojuje s technologií dielektrických elastomerů. Mobilní roboti, výrobní stroje, linky, dopravníky… všude zde se nabízí jejich využití. 2. díl je pokračováním a dokončením tématu dielektrických elastomerů

V minulém čísle (04/2016) jsme pokročili do 21. století, ve kterémse téma umělých svalů stále častěji spojuje s technologií dielektrických elastomerů. Mobilní roboty, výrobní stroje, linky, dopravníky –všude zde se nabízí jejich využití.

Základní princip umělých svalů, jak jsme již uvedli v předchozím díle, není složitý: Mezi dvěma tenkými elektrodami se nachází film nevodivého pružného elastomeru a po přivedení vysokého napětí na obě elektrody vzniká silné elektrostatické pole, díky němuž zapůsobí síly vzájemného přitahování elektrod, čímž dochází k deformaci elastomerového filmu. Více o principu umělých svalů včetně představení šesti jejich aplikací najdete v MM Průmyslové spektrum 04/2016 (elektronickyi zde://www.mmspektrum.com/clanek/umele-svaly-cast-3-dielektricke-elastomery-cast-1.html)
V tomto, přímo navazujícím článku, se nejprve podíváme na další aplikace umělých svalů.

Robotická píďalka

V roce 2007 byl navržen sval s několika stupni volnosti, sestávající z mnoha segmentů. Toto řešení nese název ANTLA (ANTagonisticLinearActuator). Každý segment diskového tvaru je opatřen šesti aktivními zónami s elastomerovým filmem a elektrodami a umožňuje pohyb ve třech stupních volnosti. Seskládáním několika segmentů v axiálním směru vzniká tzv. robotická píďalka, jejíž každý segment lze ovládat zvlášť [1].

Reklama
Reklama
Obr. 1. Segment robotické píďalky [1]
Obr. 2. Robotická píďalka [1]

Dvoupolohový DEA aktuátor

Pro případ, kdy není zapotřebí spojitý pohyb, ale jen samotná funkce zařízení opatřeného DEA umělým svalem, byl sestaven dvoupolohový dielektrický aktuátor. Tento typ aktuátoru, který lze opět seskládat do tvaru umělého svalu, sestává ze segmentů, z nichž každý je opatřen dvěma aktivními členy s dielektrickým elastomerem a pružnou membránou uloženou mezi dvěma aktivními členy s dielektrickým elastomerem. Pružná membrána může zaujímat dvě výchozí polohy–aktivací konkrétního členu s dielektrickým elastomerem dochází k jejímu vychýlení a ustavení do nové polohy. Takové zařízení je schopno šetřit elektrickou energii; aktivace členů s dielektrickým elastomerem je požadována pouze při změně polohy aktuátoru [1].

Obr. 3. Princip dvoupolohového DEA aktuátoru [1]
Obr. 4.Ukázka svalu z DEA aktuátorů [1]

DEA aktuátor s pěti stupni volnosti

Zajímavé uspořádání navrhli vědci Andrew Conn a Jonathan Rossiter z univerzity v anglickém Bristolu. Mezi dvě membrány konvexního kuželovitého tvaru umístili nepoddajnou podporu, přičemž každá membrána je opatřena čtyřmi aktivními zónami. Toto uspořádání tvoří segment umělého svalu, který lze polohovat ve třech translačních a dvou rotačních směrech.

Obr. 5. Princip DEA aktuátoru s pěti stupni volnosti [1]


Ostření fotoaparátu pomocí DEA zařízení

Výzkumníci z italské Pisy navrhli optickou čočku s ostřením obrazu pomocí DEA membrány. Zařízení sestává z rámu tvaru obruče, na kterém jsou nataženy dvě membrány z dielektrického elastomeru. Uprostřed jsou obruče vyduté. Takto vzniklý vnitřní prostor vyplňuje kapalina zesilikonového pre-polymeru Sylgard 184, jehož hodnota indexu lomu činí 1,43. Mezi obručí a vydutými středy membrán jsou tyto membrány z vnější strany potaženy elektrodami, které jsou zhotoveny z uhlíkového maziva [6].
Aktivací mezikruhové části membrány dojde ke zmenšení průměru čočky, což při zachování objemu kapaliny má za následek zmenšení vnějšího poloměru rohovky čočky (čočka se víc zakulatí).

Obr. 6. Schéma ostření fotoaparátu [6]


Obr. 7. Funkční vzorek [6]
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Pohon robotické ryby

V roce 2007 vyvinula univerzita v Tokiu pohon ploutve robotické ryby–jedná se o pohon bez zpětné vazby, na podobném principu jako DEA. Pohon sestává ze statoru a tzv. kluzáku (originální termín zní „slider“). Stator obsahuje lametové elektrody napájené čtyřfázovým střídavým napětím, rozteč elektrod má parametr 400 µm. Kluzák je složen rovněž z elektrod s větší šířkou, které jsou napájeny dvoufázovým střídavým napětím. Rozteč elektrod kluzáku činí 200 µm. Rozměry aktivní plochy kluzáku i statoru jsou 46 x 30 mm. V prostoru mezi kluzákem a statorem jsou v dielektrické kapalině (Fluorinert FC-77 od 3M) rozptýleny skleněné kuličky o průměru 7 µm.

Pohon robotické ryby je napájen vysokofrekvenčním střídavým napětím se jmenovitým kmitočtem 500 Hz. Stator si udržuje hodnotu jmenovitého kmitočtu, kmitočet kluzáku se pohybuje v rozmezí 500 ± 25 Hz. Snížení kmitočtu vyvolá pohyb na jednu stranu, zvýšení kmitočtu navodí pohyb na stranu druhou. Jedná se tedy o synchronní aktuátor [7].


Obr. 8. Schéma pohonu [7]
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Obr. 9. Robotická ryba [7]Co se týká provozuschopnosti v širokém rozsahu teplot, odborné články na toto téma [8] uvádějí interval–10°C až 90°C pro akrylové elastomery VHB a –100°C až 250°C pro silikonové elastomery. U DEA umělých svalů je možné dosáhnout více než 10Hz aktivační frekvence. Účinnost 70% až 90% je srovnatelná s účinností asynchronních motorů.

Výzvy současnosti a překážky

Dnešní DEA svaly jsou běžně aktivovány napětím v řádu jednotek kV, tudíž – díky malým tloušťkám elastomerového dielektrika – může docházet k elektrickým průrazům. Tomuto nežádoucímu jevu se snaží zabránit výzkumníci Thanh-Giang La a kol. z univerzity v Singapuru, kteří navrhli funkční prvek DEA umělého svalu tak, že mezi elastomer a elektrody vložili olejovou vrstvu s vyšší hodnotou průrazného napětí (zdroj [2] uvádí hodnotu 835 MV.m-1). Takto upravený prvek DEA umělého svalu lze navíc napájet vyšším napětím (zhruba čtyřikrát), což rezultuje dosažením vyšší hodnoty Maxwellova tlaku a tím pádem vyšší hodnotou aktuační síly. Odlišné řešení navrhli vědci Toma Kobayashi a StoyanSmoukov z anglické Cambridge. Tento tandem řeší odolnost proti průrazu dielektrického elastomeru cestou napájení elektrod pulzujícím napětím místo napětí stejnosměrného [9].
Další oblastí, kterou se ubírá vývoj umělých svalů (respektive obecně aktuátorů), je zkoumání vlivu předpětí dielektrického elastomeru na zvýšení výkonu a účinnost elastomeru. Předpětí filmu ovlivňuje jeho modul pružnosti (především ve směru tloušťky filmu) a pravděpodobně i hysterezi pružného elastomeru.


Pro zvětšení klikněte na tabulku.

Trendy a nadějná očekávání

Autoři tohoto textu očekávají trend spočívající ve snaze snížit hmotnost DEA umělých svalů. Literatura [1] uvádí, že kompozitová vrstva tvoří pouze kolem 5% hmotnosti celého svalu.Drtivou většinu hmotnosti tak zaujímá nosná struktura, myšleno rám, na kterém je natažen dielektrický film a soustava pružin.
Princip aktuátoru tvořeného dielektrickým elastomerem má velmi široké využití, výhodné především u mobilních (kráčejících) robotů. Lze předpokládat, že by mohl být rovněž uplatněn v aplikacích, kde se používají pneumatické válce, tedy u výrobních strojů, výrobních i montážních linek nebo dopravníků. Literatura[1] zmiňuje též možnost použití u zobrazovačů Braillova písma nebo u polohovacích zařízení se snímači vibrací pro použití v herním průmyslu.

Fakulta strojního inženýrství, VUT v Brně

Petr Kočiš, Radek Knoflíček

knoflicek@fme.vutbr.cz

Seznam použité literatury:

[1] Anderson, I. A., Gisby, T. A., McKay, T. G., O Brien, B. M. and Calius, E. P.. 2012. "Multi-FunctionalDielectric Elastomer ArtificialMusclesfor Soft and Smart Machines." JournalofAppliedPhysics 112 (4). doi:10.1063/1.4740023.
[2] La, T.–G., Lau, G.-K.,Shiau, L.-L.and Tan, A. Wei-Yee. 2014. "Muscle-LikeHigh-Stress Dielectric Elastomer ActuatorswithOilCapsules." Smart Materials and Structures 23 (10). doi:10.1088/0964-1726/23/10/105006.
[3] Arora, S., Ghosh, T. and Muth, J.. 2007. "Dielectric Elastomer Based Prototype FiberActuators." Sensors and Actuators, A: Physical 136 (1),s. 321–328. doi:10.1016/j.sna.2006.10.044.
[4] Kovacs, G., Lochmatter, P. and Wissler, M.. 2007. "AnArm Wrestling Robot Driven by Dielectric Elastomer Actuators." Smart Materials and Structures 16 (2): S306-S317. doi:10.1088/0964-1726/16/2/S16.
[5] Anderson, I. A., Hale, T.,Gisby, T.,Inamura, T.,McKay, T.,O Brien, B.,Walbran, S.and Calius, E. P.. 2010. "A ThinMembraneArtificialMuscleRotary Motor." AppliedPhysics A: Materials Science and Processing 98 (1), s. 75–83. doi:10.1007/s00339-009-5434-5.
[6] Carpi, F., Frediani, G.,Turco, S.and De, R. D.. 2011. "BioinspiredTunableLenswithMuscle-LikeElectroactiveElastomers." AdvancedFunctionalMaterials 21 (21), s. 4152–4158. doi:10.1002/adfm.201101253.
[7] Zhang, Z. G., Yamashita, N.,Gondo, M., Yamamoto, A. and Higuchi, T.. 2008. "ElectrostaticallyActuatedRoboticFish: Design and ControlforHigh-Mobility Open-LoopSwimming." IEEE Transactions on Robotics 24 (1),s.118–129. doi:10.1109/TRO.2007.913989.
[8] Madden J.D.W., VandesteegN.A., Anquetil P.A., Madden P.G.A., Takshi A., Pytel R.Z., Lafontaine S.R., Wieringa P.A. and Hunter I.W. 2004. "ArtificialMuscle Technology: PhysicalPrinciples and Naval Prospects." IEEE JournalofOceanicEngineering 29 (3), s. 706–728. doi:10.1109/JOE.2004.833135.
[9] Kobayashi, T. and Smoukov, S. K.. 2014. "PulsedActuationAvoidsFailure in Dielectric Elastomer ArtificialMuscles." International Journalof Smart and NanoMaterials 5 (4): 217-226. doi:10.1080/19475411.2014.987190.

Videa s využitím dielektrických elastomerů v konkrétníh aplikacích:

Reklama
Vydání #5
Kód článku: 160505
Datum: 11. 05. 2016
Rubrika: Servis / Zajímavosti
Autor:
Firmy
Související články
Ohlédnutí za MSV 2018

Jubilejní strojírenský veletrh v Brně se i letos nesl ve znamení inovací, technických i technologických novinek (často také světových premiér), ale hlavně v duchu oslav stého výročí založení Československé republiky, takže se také vzpomínalo na historické úspěchy v technice v expozici 100RIES. A není tedy divu, že partnerskou zemí bylo letos Slovensko. Na následujících řádcích přinášíme malé ohlédnutí za veletrhem, kde připomeneme některé exponáty, které v očích naší redakce za zmínku a vzpomínku stojí.

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.

Umělé svaly; část 3. Dielektrické elastomery, část 1.

Náš seriál pokročil do 21. století, ve kterém se téma umělých svalů stále častěji spojuje s technologií dielektrických elastomerů. Mobilní roboti, výrobní stroje, linky, dopravníky… všude zde se nabízí jejich využití.

Související články
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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
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.

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

Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

Chytré stroje přivádějí továrny k životu

Bezpečné balicí stroje připojené k Ethernetu zvyšují produktivitu, zlepšují flexibilitu, snižují komplexnost konstrukce a řeší problémy pracovníků v provozu.

Atraktivní projekty: Robot z inkubátoru

Stavět malé pohyblivé autonomní roboty a soutěžit s nimi na různých soutěží je pro nadané žáky a studenty zdrojem zábavy i učební pomůckou. Studentům a absolventům vysokých škol to nestačí. Chtějí dokázat víc.

Stroje v pohybu – Vrtulník na Marsu

Vědci a technici z amerického Národního úřadu pro letectví a vesmír (NASA) právě řídí jednu z nejnáročnějších operací v dějinách kosmonautiky. Expedice Mars 2020 hledá známky bývalého života na sousední planetě. Kromě pojízdné laboratoře je na Marsu také první stroj, který létá vlastní silou na jiné planetě, než je Země.

Strašidlo jménem (umělá) inteligence

Světem obchází strašidlo umělé inteligence. Jinak řečeno stroj, který se stane chytřejším než člověk a ovládne život na planetě Zemi. Je to vlastně strach z technického pokroku, který se dá interpretovat také jako obava z odcizení nebo z tajemné propasti lidské mysli.

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.

S uranem v podpalubí

V březnovém vydání MM Průmyslového spektra jsme publikovali článek pod názvem Jaderné ledoborce pro Severní cestu. Jelikož tento text vzbudil zájem řady čtenářů, rozhodli jsme se na toto téma připravit další podrobnější příspěvek.

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