Témata
Reklama

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.

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

Umělé svaly tvořené dielektrickými elastomery registrujeme od 90. let 20. století [1]. Jejich základní princip není složitý: Mezi dvěma tenkými elektrodami se nachází film nevodivého pružného elastomeru a po přivedení vysokého napětí na obě elektrody (jednu zápornou, druhou kladnou) vzniká silné elektrostatické pole, díky němuž zapůsobí síly vzájemného přitahování elektrod. Tím samozřejmě dochází k deformaci elastomerového filmu. Tento film má dvě základní funkce: Jednak se chová jako pružina a po zaniknutí elektrostatického pole vrací elektrody do výchozí polohy, jednak zabraňuje průchodu elektrického proudu mezi elektrodami. Tloušťka vrstev elastomeru se běžně pohybuje v rozmezí 0,1 až 0,3 mm, někde dokonce pouze v setinách milimetru [2].

Reklama
Reklama
Obr. 1. Základní princip umělého svalu tvořeného dielektrickými elastomery [8]


Základní veličinou charakterizující popisovaný princip umělých svalů je tzv. Maxwellův tlak. Jedná se o veličinu, která je charakterizována elektrostatickou silou působící na elektrody deskového kondenzátoru (popis umělých svalů s dielektrickými elastomery vlastně vychází z teorie deskových kondenzátorů). Při konstantním napětí je funkční závislost Maxwellova tlaku, a tím i elektrostatické síly, závislá kvadraticky na vzdálenosti elektrod. Projevy této závislosti lze ovšem potlačit předepnutím elastomerové vrstvy ve dvou na sebe kolmých směrech.

V souvislosti s tematikou umělých svalů s dielektrickými elastomery se používá zkratka DEA, což v originálu znamená Dielectric Elastomer Actuator. V článku budeme používat tuto zkratku především pro označení druhu svalu.

Používané materiály a příklady aplikací

Na stavbu pružné dielektrické membrány se běžně používají tenké filmy ze silikonu nebo polyuretanu. Často se také dostává do popředí akrylová fólie, která je pod označením VHB 4905 nebo VHB 4910 dostupná na trhu.
Hlavním požadavkem na elektrody je kromě elektrické vodivosti také jejich pružnost. Proto se místo kovových fólií používají vodivá maziva – především uhlíkové mazivo nebo stříbrné mazivo. Jedná se o speciální směsi vodivých částic (tedy uhlíku nebo stříbra) v silikonové matrici. V literatuře se lze pro pojmenování uhlíkového maziva setkat rovněž s pojmem CB silicone (zkratka CB znamená Carbon Black). V menší míře byl jako elektroda použit vodní roztok chloridu vápenatého [3].

Výzkumem dielektrických elastomerů se zabývá bezpočet vědeckých týmů. V tomto článku, rozděleném do 2 dílů, se zaměříme na devět aplikací DEA vzešlých z laboratoří. Čtyři aplikace – arwrestling robot, rotační robot tvořený DEA svaly, DEA svalová vlákna a umělý sval s více stupni volnosti podle Peie a Rosenthala popisujeme níže; o dalších třech aplikacích včetně trendů, závěru a info-tabulek, si přečtete v následujícím vydání MM Průmyslové spektrum 05/2016.

Obr. 2. Stavba DEA umělého svalu [4]


Armwrestling robot

Jedná se o pokusné zařízení, které má prezentovat sílu pohonu založeného na umělých svalech s dielektrickým elastomerem. Armwrestling robot, vyvinutý roku 2005 ve švýcarských Federálních laboratořích pro výzkum a testování materiálů, svým tvarem nepřipomíná konstrukci robota – de facto jde o samotný pohon uzavřený v krabici tvaru kvádru. Uvnitř se nacházejí čtyři skupiny umělých svalů, přičemž každá skupina obsahuje 64 umělých svalů válcového tvaru, s tím, že polovina svalů je agonistická a druhá polovina antagonistická. Každá polovina dokáže vyvinout sílu o velikosti 200 N (v axiálním směru umělých svalů).

Stavbu umělého svalu znázorňuje obr. 2. Sval sestává z jádra tvořeného tažnou vinutou pružinou, jež je ve volném neaktivovaném stavu stlačená, čímž zajišťuje potřebné předpětí elastomerového filmu. Pružina je také schopna kompenzace kvadratického průběhu síly v závislosti na deformaci aktivovaného umělého svalu. Plášť umělého svalu je tvořen kompozitem předepjatého elastomerového filmu (v tomto případě akrylu VHB 4910) a pružných vodivých elektrod.

Obr. 3. Armwrestling robot [4]


Průměrná hodnota tloušťky elastomerového filmu činí 50 µm. Aktivací umělého svalu dochází ke stlačení tloušťky elastomerového filmu, což podle zobecněného Hookova zákona způsobí jeho příčné roztažení. To má za následek jednak nárůst rozměru v radiálním směru umělého svalu (kompozit filmu a elektrod je navinut ve spirále a aktivace umělého svalu způsobí zvětšení délky spirály, což se projeví zvětšením průměru svalu), ale co je důležitější, působí tu protažení umělého svalu v axiálním směru. Z délky umělého svalu 250 mm v neaktivovaném stavu lze získat velikost protažení kolem 80 mm. Každý jednotlivý sval má 35 vrstev kompozitu o délce 2 metry [4].

Obr. 4: Princip rotačního motoru [4].

Rotační robot tvořený DEA umělými svaly

Koncem prvního desetiletí tohoto století zkonstruovali vědci z Nového Zélandu funkční vzorek rotačního motoru tvořeného DEA. Tento motor je složen z membrány z dielektrického elastomeru. Membrána obsahuje čtyři segmenty, vyznačující se přítomností elektrod. K vnitřnímu průměru membrány je upevněn centrální satelit, který přenáší pohyb na rotor o průměru 31,75 mm; celkový průměr rotačního motoru činí 200 mm [5].

Navrženy byly dvě varianty rotačního robota – u první se přenos točivého momentu na rotor děje prostřednictvím převodu s vnitřním ozubením; centrální satelit s vnitřním ozubením koná translační pohyb po kružnici a rotor s centrálním kolem s vnějším ozubením koná rotační pohyb kolem své osy. Avšak ukázalo se, že v převodu mezi zuby vzniká prokluz, který snižuje mechanickou účinnost motoru. Proto byla zkonstruována druhá varianta – funkční vzorek rotačního DEA motoru, u něhož přenos točivého momentu z centrálního satelitu na rotor obstarává klikový mechanismus. Takový motor sestává z dvaceti komponent s membránou [5].

Na stavbu membrány byl použit akrylový elastomer 3M VHB 4905. Membrány mají různý počet kompozitových vrstev a jsou předepjaty na šestnáctinásobek jejich původní plochy, díky čemuž činí tloušťka akrylového filmu 31 µm. Elektrody, tvořené uhlíkovým mazivem, jsou na každou stranu elastomerového filmu naneseny ve čtyřech segmentech, vzájemně pootočených o 90°. Toto uspořádání spolu s vedením klikového mechanismu udává centrálnímu satelitu pohyb po kružnici.

Obr. 5: Pohled na membránu motoru [5] Obr. 6. Boční pohled na funkční vzorek motoru [5]


DEA svalová vlákna

Vědecký tým Sohila Arory ze Státní univerzity v Severní Karolíně ukázal v roce 2006 možnost použití vláknových aktuátorů z nevodivých elastomerů. Jedná se o rozdílný přístup oproti stávajícím návrhům, které utvářely DEA kompozity. U DEA vláken se nabízí širší možnosti využití, například v textilním průmyslu. Návrhy tvarů elastomerových vláken znázorňuje obr. 7, komerčně dostupná jsou elastomerová vlákna (ze silikonu nebo polyuretanu) s vnitřním průměrem 0,5 mm a vnějším průměrem 0,9 mm. Materiálem vnitřní elektrody je stříbrné mazivo, vstříknuté při výrobě vlákna injekční jehlou do vnitřního prostoru vlákna ve tvaru trubky. Uhlíkové mazivo se pro stavbu vnitřní elektrody ukázalo nevhodné, protože při jeho aplikaci do vnitřního prostoru vlákna docházelo k ucpávání injekční jehly. Pro stavbu vnější elektrody lze použít jak stříbrné, tak i uhlíkové [3].

Mechanismus rozměrové deformace má stejný princip jako v případě DEA svalů tvořených srolovanou membránou. Rozdílem je jen absence mechanické pružiny, takže předpětí vlákna musí být vytvořeno v elastomeru již při výrobě. Navržená vlákna byla aktivací schopna dosáhnout 7% deformace v axiálním a 18% v radiálním směru v případě silikonového materiálu. Při použití polyuretanového elastomeru bylo dosaženo deformací pohybujících se okolo 1 % [3].

Obr. 7: Varianty DEA vláken [3]
Obr. 8: Ukázka deformace vlákna při aktivaci [3]


Umělý sval s více stupni volnosti podle Peie a Rosenthala

Když se vhodně zmodifikuje konstrukce vinutých umělých svalů u návrhu zařízení typu armwrestling robot, lze dosáhnout toho, že každý takový umělý sval může mít více než jeden stupeň volnosti. S tímto nápadem přišel vědec Qibing Pei, jenž ve spolupráci s Marcusem Rosenthalem a týmem Kalifornské univerzity navrhnul umělý sval se třemi stupni volnosti.

Navinutý plášť s akrylovým elastomerem VHB se rozdělil do mnoha aktivních zón, jejichž počet je dělitelný čtyřmi; tyto aktivní zóny se přitom na rozdíl od neaktivních zón vyznačují tím, že kromě elastomerového filmu sestávají rovněž z elektrod, takže při aktivaci umělého svalu se deformují. Při návinu pláště jsou aktivní zóny přesazeny o 90°.

Navržený sval umožňuje změnu své délky v axiálním směru (to v případě, kdy jsou aktivovány všechny aktivní zóny) a ohýbání ve dvou osách (obě osy jsou kolmé na osu umělého svalu). Pro demonstraci funkčnosti byl zkonstruován šestinohý kráčející robot (obr. 10), který však má aktuátory se dvěma stupni volnosti (aktivní zóny pláště jsou vzájemně přesazeny o 180 %) [1].

Obr. 9: Plášť s aktivními zónami [1]
Obr. 10: Kráčející šestinohý robot [1]


Článek pokračuje druhým, závěrečným dílem v příštím čísle 05/2016 MM Průmyslové spektrum.

Fakulta strojního inženýrství, VUT v Brně

Petr Kočiš, Radek Knoflíček

knoflicek@fme.vutbr.cz

Něco navíc…

Videa s využitím dielektrických elastomerů v konkrétních aplikacích:


Seznam použité literatury:

[1] Anderson, I. A., Gisby, T. A., McKay, T. G., O´Brien, B. M. and Calius, E. P.. 2012. "Multi-Functional Dielectric Elastomer Artificial Muscles for Soft and Smart Machines." Journal of Applied Physics 112 (4). doi:10.1063/1.4740023.
[2] La, T.–G., Lau, G.-K., Shiau, L.-L. and Tan, A. Wei-Yee. 2014. "Muscle-Like High-Stress Dielectric Elastomer Actuators with Oil Capsules." 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 Fiber Actuators." 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. "An Arm 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 Thin Membrane Artificial Muscle Rotary Motor." Applied Physics 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. "Bioinspired Tunable Lens with Muscle-Like Electroactive Elastomers." Advanced Functional Materials 21 (21), s. 4152–4158. doi:10.1002/adfm.201101253.
[7] Zhang, Z. G., Yamashita, N., Gondo, M., Yamamoto, A. and Higuchi, T.. 2008. "Electrostatically Actuated Robotic Fish: Design and Control for High-Mobility Open-Loop Swimming." IEEE Transactions on Robotics 24 (1), s.118–129. doi:10.1109/TRO.2007.913989.
[8] 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. "ArtificialMuscle Technology: Physical Principles and Naval Prospects." IEEE Journal of Oceanic Engineering 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 Journal of Smart and Nano Materials 5 (4): 217-226. doi:10.1080/19475411.2014.987190.

Reklama
Firmy
Související články
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

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.

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.

Související články
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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
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.

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.

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.

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.

Atraktivní projekty: Plující chrámy techniky

Moře a oceány brázdí stále více plavidel, jež budí úžas nejen svými rozměry, ale také technickým vybavením.

Atraktivní projekty: Nejvyšší v Las Vegas

Ráj hazardu a zábavy v Las Vegas obohatí nová atrakce - vyhlídkové kolo o průměru 160 metrů. V dohledné době se má roztočit a pochlubit se nejen atraktivní konstrukcí, ale i svou výškou - 167,6 metru. Bude tedy nejvyšším vyhlídkovým kolem na světě. Náklady přesahují 550 milionů dolarů.

Atraktivní projekty: Tramvaje se vracejí do L.A.

Účastníci referenda v centru Los Angeles před rokem schválili projekt financování výstavby jedné okružní tramvajové linky ve výši 125 milionů dolarů. Do provozu by měla být uvedena v roce 2016.

Sázka na design, díl 3.

Dnes již potřetí se v našem seriálu o průmyslovém designu, kterému se společně se studiem Divan design na stránkách MM Průmyslového spektra věnujeme oslovujeme nejenom komunitu konstruktérů, aby při návrzích nových produktů na ně nahlíželi kreativním pohledem, ale i obecnou veřejnost, pro něž je design tím prvním, čím je produkt osloví. Konstruktéři svými vytvořenými produkty nesdělují uživatelům pouze skutečnost, jakou technologií byly vytvořeny a k jakému účelu jsou použity, ale musí také vypovídat o určitém stylu designéra a samozřejmě i o době, ve které vznikaly. Posláním každého článku je přestavit výsledek úzké spolupráce mezi konstruktérem a designérem.

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.

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