Эволюция в сопряжении с врожденным любопытством позволили человечеству создать множество удивительных устройств, от машин и компьютеров до космических кораблей и микроскопических роботов. Все эти вещи, сколь обмыленными они не казались современному человеку, являются воистину удивительными творениями великих умов, сравниться с которыми может лишь сама природа. Любой живой организм можно справедливо именовать механизмом, у которого есть набор подсистем, выполняемых функций, специфических особенностей и целого ряда достоинств/недостатков. Во время выполнения даже самой тривиальной задачи, скажем поднятие чашки кофе, в нашем организме происходит множество операций, выполняемых одновременно несколькими системами, от тактильного восприятия кожей и движения подъема посредством скелетно-мышечной системы до обработки сенсорной информации и принятия решения . Имитировать любую из этих систем в виде искусственного механизма — настолько же желанная, насколько и сложная задача, которую перед собой поставило научное сообщество. К примеру, ученые из Лондонского университета королевы Марии (Великобритания) разработали новый тип искусственных мышц, которые способны регулировать свою жесткость и воспринимать воздействующие на нее силы и деформации в реальном времени. Из чего сделана эта мышца, как именно она работает, и где может применяться? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Недавние достижения в области искусственных мышц (AM от artificial muscle) с переменной жесткостью в значительной степени способствовали широкому развитию бионической и мягкой робототехники. Сочетание переменной жесткости и гибкости позволяет таким роботам адаптироваться к сложным и меняющимся условиям и выполнять куда больше задач, чем роботы с полностью жестким или мягким телом. Очевидным примером преимуществ настраиваемой жесткости является захват предметов. Имея возможность в реальном времени регулировать жесткость захвата, робот может повысить надежность удержания предмета без его повреждения.
По типу энергообеспечения мягких роботов с переменной жесткостью можно разделить на три группы:
- Пневматические конструкции с переменной жесткостью имеют превосходную регулировку жесткости и высокую скорость срабатывания (менее 1 секунды), но требуют громоздкого источника воздуха и ряда пневматических схем;
- Конструкции с термодинамической переменной жесткостью обычно используют сплавы с памятью формы или сплавы с низкой температурой плавления. Они достигают переменной жесткости в основном за счет фазового перехода материалов и эффективны для приложений, жесткость которых может быть изменена за счет изменения температуры или рабочей среды. Минус таким систем — низкая скорость отклика (более 1 секунды);
- Самая молодая группа — это конструкции с электрической переменной жесткостью. Роботы, использующие эти конструкции, имеют чрезвычайно высокую скорость отклика (менее 100 мс) и могут напрямую управляться электричеством. В дополнение к изменению жесткости работа конструкции также зависит от восприятия, которое дает им обратную связь о движении и силе, что улучшает их способность адаптироваться к окружающей среде.
Как отмечают ученые, в последние годы появление искусственных мышц с SSVS (от self-sensing variable stiffness, т. е. самочувствительная переменная жесткость) стало фундаментом для нескольких весьма интересных идей в робототехнике.
Системы, которые объединяют актуацию (срабатывание) с переменной жесткостью и чувствительность, значительно упростили конструкцию робота и представляют собой шаг вперед в развитии мягкой робототехники. Другими словами, робот, обладающий таким функционалом, мог бы самостоятельно регулировать жесткость своих мышц в ответ на воспринимаемые им внешние силы и деформации.
Технология электрического срабатывания геля поливинилхлорида (PVC от polyvinyl chloride) является крайне полезной в рамках данного исследования. Принцип работы заключается в том, что электростатическая сила, создаваемая высоким напряжением на аноде, притягивает гель PVC к сетке, в результате чего структура становится тоньше, чтобы достичь эффекта возбуждения. Ранее технология актуации геля PVC в основном применялась для приведения в действие мягких роботов. Но объединить эту технологию и искусственные мышцы пока еще никто не пробовал.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают методику создания нового типа искусственной мышцы SSVS-AM, которая способна самостоятельно регулировать свою жесткость в ответ на воспринимаемые ею внешние силы и деформации.
Конструкция SSVS-AM
Изображение №1
Как показано на 1a, гладкие мышцы становятся более жесткими из-за сокращения, когда они получают стимуляцию. Основной принцип увеличения жесткости заключается в том, что промежуточные филаменты и плотные тела напрягаются, поэтому мышечные клетки сжимаются, что приводит к большей плотности и, следовательно, к более жесткому телу. Именно этот биологический процесс и стал фундаментом для разработки SSVS-AM, которая состоит из трех основных элементов (1a):
- металлическая сетка из мягких волокон (с модулем изгиба < 1 ГПа) в качестве анода, играющая роль промежуточной нити и плотного тела;
- диэлектрический слой из геля PVC (поливинилхлорид);
- гибкий проводящий катод.
Слой PVC-геля оборачивается вокруг катодного слоя, в результате чего они соединяются вместе с хорошей растяжимостью, которая определяется как «растяжимый слой» и играет роль мышечной клетки в гладкой мышце. Хоть металлическую сетку и можно относительно легко согнуть, ее трудно растянуть, поэтому она гарантирует жесткость в направлении растяжения (1b).
Когда напряжение отключено, структура мягкая и может растягиваться в продольном направлении, удерживая один конец металлической сетки прикрепленным к растягиваемому слою. При подаче напряжения на структуру анод втягивает слой диэлектрика в сетку за счет действия электростатической силы, ограничивая растяжение структуры. Структура находится в более жестком состоянии, т.е. ее жесткость увеличивается.
Говоря о восприятии, то катодный слой представляет собой проводящий слой с углеродными нанотрубками (CNT от carbon nanotube), встроенными в Ecoflex 00-30, сопротивление которых увеличивается при растяжении, что делает его резистивным датчиком. Датчик отслеживает изменение длины в режиме реального времени, а AM (искусственная мышца) может в ответ регулировать жесткость.
Изготовление SSVS-AM
Как отмечают ученые, прямоугольная форма (1b) была выбрана для испытаний на растяжение, потому что она проста в изготовлении и может обеспечить точные результаты измерений. Кроме того, прямоугольная форма подвергается равномерной деформации при испытаниях на растяжение, что делает результаты измерений надежными и точными.
Электронный резак использовался для резки анодов с размером ячеек 40–100 и толщиной 100 мкм. Гель PVC получали путем растворения PVC частиц со средней молекулярной массой 4400 с использованием дибутиладипата (DBA от dibutyl adipate) в качестве пластификатора. Для получения токопроводящего раствора углеродные нанотрубки и компоненты Ecoflex 00-30 А и В смешивали, нагревали и перемешивали для образования поперечных связей между компонентами.
Изображение №2
Раствор PVC и проводящий раствор отливались отдельно на литейной машине. Сначала отливали первый слой PVC геля, за ним следовал проводящий слой, а затем еще один слой PVC геля. Оба гелевых слоя объединялись, что бы образовать своеобразную упаковку вокруг проводящего слоя. Сформированная таким образом трехслойная структура эффективно склеивалась (2a), что обеспечивает ее стабильность при использовании в качестве датчика.
Как показано на 2b, медная лента использовалась для соединения с проводящим слоем перед инкапсуляцией в геле, чтобы обеспечить низкое значение контактного сопротивления (менее 100 Ом). Последним шагом стала фиксация двух концов мышечной структуры с помощью зажимов и винтов, напечатанных на 3D-принтере (2c). Каждый конец был прикреплен только к одной сетке, чтобы гарантировать, что другой конец сетки свободен.
Переменная жесткость SSVS-AM
Чтобы улучшить характеристики переменной жесткости SSVS-AM, ученые исследовали способы увеличения адсорбционного эффекта анода на геле в пределах ограниченного напряжения (700 В). Переменные включают размер проводящей сетки, массовое соотношение компонентов и толщину геля. Среди них массовое соотношение компонентов влияет на диэлектрические и механические параметры геля. Толщина и вязкость гелевой пленки, а также размер ячеек напрямую влияют на заполнение сетки гелем. Принцип работы PVC привода заключается в ползучей деформации гелевой пленки между электрическими полями катода и анода по направлению к анодной сетке. Отсюда следует, что размер отверстий в металлической сетке анода оказывает прямое влияние на окончательную усадку актуатора.
Изменение жесткости напрямую связано с величиной деформации PVC привода, где размер ячеек сетки анода и физические свойства, такие как толщина и вязкость геля, являются ключевыми факторами влияния. Индекс ячейки представляет собой количество отверстий на длину в 1 дюйм (приблизительно 25.41 мм). Пористость (ξ) является ключевым показателем. Чем больше ξ, тем больший объем геля можно заполнить в пределах фиксированной площади анода, и тем выше производительность поглотителя SSVS-AM.
Изображение №3
На 3a показана анодная сетка. В данной работе для расчета были отдельно выбраны гибкие токопроводящие сетки с 40, 60, 80 и 100 меш. Результаты анализа показали, что сетка 40 меш позволяет наполнить гель с максимальным объемом и смещением усадки. Однако на практике усадочное смещение PVC привода зависит не только от пористости металлической сетки, но и от физических параметров самого PVC геля. Проверить это можно было с помощью подходящей толщины, модуля упругости и измерений вязкости, чтобы совместить теорию с практикой.
Соотношение компонентов PVC геля определяет модуль упругости и диэлектрическую проницаемость, определяющую легкость, с которой он может деформироваться под действием электрического поля. Как показано на 3b, модуль упругости и диэлектрическая проницаемость гелевой пленки обратно пропорциональны массовому соотношению PVC и DBA.
Модуль упругости PVC пленки резко снижается при массовой доле полимера PVC (mPVC) менее 20 % (mPVC:mDBA = 1:4), при этом диэлектрическая проницаемость увеличивается относительно медленно.
Толщина гелевой PVC пленки должна быть максимально уменьшена, чтобы обеспечить адекватное заполнение сетки и минимизировать общую толщину привода. По этой причине пленки толщиной 0.3 мм (минимальная толщина геля PVC, которую можно точно контролировать методом литья), 0.4 мм и 0.5 мм подготовили для сравнения с различными соотношения PVC растворов. Средняя молекулярная масса Были подготовлены следующие соотношения mPVC: mDBA = 1:4, 1:6 и 1:8.
Для анодных материалов используются сетки из нержавеющей стали с размером ячеек 40, 60, 80, 100 и 120 меш с различными соотношениями и толщиной гелевой пленки. Чтобы увеличить смещение SSVS-AM, для измерения был принят метод многослойного суммирования. Были подготовлены образцы SSVS-AM, состоящие из пяти слоев. Производительность каждой группы образцов измерялась, чтобы найти наилучшее сочетание соответствующих параметров. Грузы в 0, 20, 50, 100 и 150 грамм прикладывались к приводу с напряжением 800 В (3c).
Чтобы оптимизировать переменную жесткость SSVS-AM путем изменения соотношения компонентов, толщины пленки и ячеек анода, были разработаны следующие три комбинации.
Комбинация 1: mPVC:mDBA = 1:4, PVC пленка толщиной 0.4 мм и анод 60 меш. Максимальная деформация на SSVS-AM составила 12.36 % без нагрузки и 6.05 % с нагрузкой 150 грамм.
Комбинация 2: mPVC:mDBA = 1:6, PVC пленка толщиной 0.3 мм и анод 80 меш. Максимальная деформация 11.91% без нагрузки и 5.25% с нагрузкой в 200 грамм.
Комбинация 3: mPVC:mDBA = 1:8, PVC пленка толщиной 0.3 мм и анод 60 меш.
Результаты эксперимента показали, что наилучшие выходные характеристики достигаются при соединении пленки толщиной 0.3 мм с анодом 60 меш. SSVS-AM показывала максимальную деформацию 13.13% без нагрузки. Однако при приложении нагрузки отклик снижался, и был подвержен электрическому пробою. При mPVC:mDBA = 1:8 PVC привод показал самое высокое выходное смещение холостого хода 13%. Это связано с тем, что более высокое содержание DBA придает гелю более низкий модуль упругости и более высокую диэлектрическую проницаемость, что делает его восприимчивым к деформации под действием электрического поля. Однако из-за более низкого модуля упругости грузоподъемность привода снижается, а выходное смещение уменьшается, когда применяется более высокая нагрузка.
Кроме того, более низкий модуль упругости снижает несущую способность привода, а при приложении более высокой нагрузки выходное смещение привода значительно уменьшается и подвержено электрическому пробою. Содержание DBA в геле необходимо уменьшить, чтобы привод мог работать стабильно. Экспериментальные результаты показали, что показатели приводов достигают оптимальных значений, когда 60 меш сочетается с mPVC:mDBA = 1:4 и пленкой PVC толщиной 0.4 мм. Следовательно, комбинация №1 становится основным объектом исследования.
Изображение №4
На 4a показано влияние SSVS-AM с и без напряжения в испытаниях на жесткость при растяжении. При приложенном напряжении сетка поглощает растяжимый слой, препятствуя его растяжению и повышая жесткость конструкции. Блок ССВС-АМ собран с двумя анодными сетками. При различных напряжениях и токе 20 мА, подаваемых на один и два анода соответственно, эффект переменной жесткости при деформации 20% показан на 4b. Это доказывает, что при увеличении напряжения увеличивается жесткость на растяжение.
При испытании приложением напряжения к одной стороне сетки жесткость изменяется от 20 до 100 Н/м. По сравнению с этим, результат приложения напряжения к двум сторонам показывает, что жесткость изменяется от 20 до 820 Н/м. При этом жесткость может непрерывно регулироваться напряжением, а при снятии напряжения она снова уменьшается. Эти результаты показывают, что эффект обеих сеток с приложенным напряжением намного лучше, чем у одной сетки. Поэтому во всех последующих опытах использовались именно две сетки.
Когда приложенное напряжение достигает 700 В, то увеличение жесткости выходит на плато. Причина в том, что после увеличения напряжения до 700 В сила адсорбции становится достаточной для того, чтобы сетки прочно притягивали растягиваемый слой с высокой силой трения, поэтому дальнейшее увеличение напряжения не приведет к увеличению жесткости.
При различных напряжениях менялась и взаимосвязь между деформацией и жесткостью (4c). По мере увеличения деформации менялась и жесткость, а данный процесс можно разделить на четыре стадии:
- На первом этапе деформация менее 20 %, а жесткость остается постоянной при том же напряжении. Чем выше приложенное напряжение, тем больше жесткость SSVS-AM. Причина того, что жесткость остается постоянной, заключается в том, что при очень малой деформации (менее 20%) положения двух сеток меняются незначительно. Это гарантирует, что конструкция сохраняет высокую жесткость, и поэтому ее можно аппроксимировать постоянной.
- На втором этапе деформация составляет от 20% до 110%, жесткость снижается линейно по мере увеличения деформации.
- На третьем этапе деформация составляет от 110% до 160%. SSVS-AM становится структурой, в которой каждый конец притягивается сеткой, а в середине находится только растянутый слой, где жесткость низкая, почти равная базовой, т.е. ниже 100 Н/м.
- На четвертом этапе деформация более 160%. SSVS-AM отрывается из-за ограничения модуля, и в этот момент жесткость становится равной нулю.
Чтобы понять характеристики изгиба и вращения SSVS-AM, было выполнено две серии экспериментов (4d). SSVS-AM применялся при 700 В и подвергался различным скоростям растяжения (от 0% до 160%) для получения максимального угла изгиба (α) и максимального угла поворота (γ). Отказ системы ознаменован выпадением сетки из геля при достижении максимально допустимого угла.
Наибольшее значение α (90°) возникает при степени растяжения 160%, а наименьшее значение α (10°) возникает при степени растяжения 0%. Наибольшее значение γ (55°) возникает при степени растяжения 160%, а наименьшее γ (20°) наблюдается при степени растяжения 0%. Это связано с тем, что модуль сетки выше, чем у геля, а сопротивление изгибу и вращению сильнее, когда площадь перекрытия сетки меньше.
Что касается срока службы SSVS-AM, он был испытан 200 циклами добавления и уменьшения напряжения (4e). После 200 циклов характеристики переменной жесткости SSVS-AM оставались почти постоянными (падение жесткости на 2.4% при 700 В).
Чтобы исследовать влияние количества единиц (один растяжимый слой представляет одну единицу) на характеристики переменной жесткости, ученые исследовали многослойные системы (4f). Поскольку единицы добавляются, жесткость при 0 и 700 В увеличивается линейно, а скорость относительной жесткости остается постоянна.
Датчики SSVS-AM
Что касается характеристик восприятия (чувствительности), то основными факторами являются соотношение компонентов (CNT и Ecoflex 0-30) и толщина сенсорного слоя. Путем смешивания Ecoflex 00-30 с многостенными углеродными нанотрубками (MWCNT от multiwalled carbon nanotube) размером 10-20 нм был успешно изготовлен гибкий резистивный датчик (изображение №2). Для обеспечения чувствительности и растяжимости (из характеристик переменной жесткости известно, что датчик должен удовлетворять способности к растяжению не менее 160 %), концентрация MWCNT выбрана установлена на уровне 2 масс.%.
Изображение №5
На 5c показан снимок MWCNT, полученный с помощью сканирующего электронного микроскопа, средний диаметр нанотрубок составил 15 нм. После того как длина и ширина датчика определены, его толщина также является важным фактором в дополнение к соотношению компонентов датчика. Датчик и PVC гель объединялись в единую структуру в процессе литья для обеспечения герметизации датчика (2a). Результаты тестов показали, что когда структура растягивается на 140%, три слоя все еще сохраняют сопряженность. Таким образом, сочетание двух материалов является вполне функциональным.
Датчики (40 х 10 мм) с различной толщиной слоя CNT-Ecoflex (20, 40, 60 мкм) были испытаны на различной длине растяжения (от 0 до 60 мм) с использованием Instron E1000 (5a), а результаты тестов показаны на 5b.
Сопротивление датчика со слоем CNT-Ecoflex толщиной 20 мкм менялось наиболее явно до и после растяжения. Поэтому в качестве катода для SSVS-AM использовался именно этот датчик. На 5d показана тенденция сопротивления (или относительного изменения сопротивления) с увеличением длины (или деформации), то есть по мере увеличения длины сопротивление увеличивалось.
Чтобы исследовать долговечность и гистерезис датчика, его тестировали в течение 500 циклов нагрузки и разгрузки (5e), сравнивая показатели за первый, сотый и пятисотый циклы. Разница между тремя тестами была незначительна и показала небольшой гистерезис сопротивления в процессе нагрузки и разгрузки, что может быть связано с вязкоупругостью силиконового эластомера и PVC геля.
На 5f показано соотношение между усилием растяжения, деформацией и изменением относительного сопротивления при различных напряжениях от 0 до 700 В. На 5g показано, что SSVS-AM может воспринимать различные частоты от 0 до 12 Гц (общий частотный диапазон колебаний человеческого тела).
Сравнение SSVS-AM с аналогами
Чтобы оценить производительность переменной жесткости SSVS-AM, ученые сравнили ее с рядом других доступных в настоящее время AM. По типу срабатывания эти AM можно разделить на пневматические, тепловые и электрические. Пневматические и тепловые AM имеют отличные характеристики при переменной жесткости, но имеют некоторую задержку срабатывания. Напротив, электрические AM имеют быстрое время отклика, но характеристики переменной жесткости все еще нуждаются в улучшении. SSVS-AM, напротив, хорошо уравновешивает эти два аспекта, обеспечивая как высокую скорость отклика, так и достаточное изменение жесткости.
Изображение №6
В дополнение к SSVS-AM существуют два других AM, основанных на принципе электростатической адсорбции с переменной жесткостью (6a): FEVS и ELJ.
В FEVS AM используется технология электроадгезии (EA от electroadhesion), основанная на краевом электрическом поле. Принцип переменной жесткости для FEVS заключается в том, что при срабатывании EA элементов они поляризуют промежуточный слой и притягивают его, увеличивая трение друг о друга, так что жесткость конструкции увеличивается.
Принцип ELJ заключается в том, что на электродные слои подается противоположное напряжение, а через промежуточный слой проходит электрическое поле. Когда два электродных слоя притягиваются друг к другу, внутренний слой будет сжиматься, что приводит к увеличению силы трения, а значит, увеличивается жесткость всей конструкции.
Как показано на 6b, FEVS, ELJ и SSVS-AM могут достигать максимальной жесткости и соответствующих значений относительной жесткости (6d): 550 Н/м и 175%, 320 Н/м и 59%, 810 Н/м и 3000% соответственно. Из этого следует, что SSVS-AM куда лучше конкурентов работает в рамках переменной жесткости. Чтобы получить ту же жесткость (500 Н/м), SSVS-AM использует самое низкое напряжение (250 В), в то время как FEVS использует 500 В, а ELJ — 1350 В (6c).
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые решили создать новый тип искусственных мышц, названный SSVS-AM. Вдохновением для разработки, как не удивительно, стали мышцы человека, а точнее процесс их сокращения, когда меняется жесткость.
Результаты тестов показали, что SSVS-AM, в которой актуация интегрирована с функцией восприятия внешних сил и деформаций, демонстрирует более чем в 10 раз улучшенную способность регулировать жесткость вдоль направления растяжения с применением напряжения (0–700 В). Важно и то, что используемое для работы системы напряжение ниже того, что используется аналогам (FEVS и ELJ).
Кроме того, SSVS-AM также способен быстро срабатывать (менее 100 мс) на основе сигнала, обнаруженного его сенсорной функцией. Отличительной чертой является то, что датчик встроен в конструкцию, а не является отдельным модулем. Это позволяет упростить проектирование и манипулирование мягкими роботами.
Как отмечают сами ученые, их разработка может быть весьма полезна в создании носимой реабилитационной робототехники (например, роботизированные протезы), где ее способность контролировать деформацию и регулировать жесткость будет весьма кстати. В будущем ученых ждет еще немало работы, в частности по определению лучших комбинаций слоя геля PVC и слоя CNT-Ecoflex для дальнейшего улучшения характеристик датчиков.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Автор:
Dmytro_Kikot
