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人造肌肉

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人造肌肉是一種通用術語，指的是用於模仿天然肌肉的致動器、材料或裝置，人造肌肉可以感受外部刺激（例如電壓，電流，壓力或溫度）而在一個部件內可逆地收縮、膨脹或旋轉。 [1] 三個基本的致動響應類型（收縮、膨脹和旋轉）可以在單個部件內組合在一起以產生其他類型的運動，例如，人造肌肉可以通過收縮材料的一側而擴展另一側。傳統的馬達和氣動線性元件或旋轉致動器並不能被稱為人造肌肉，這是因為在上述機械的致動中涉及了多於一個的部件。

與傳統的剛性執行器相比，人造肌肉有着高靈活性和多功能性，這使得它有可能成為一種重要的新興技術 。雖然目前人造肌肉使用有限，但該技術在工業，醫學，機械人和許多其他領域中具有廣泛的潛在應用。 [2] [3] [4]

與天然肌肉比較 編輯

雖然現在沒有比較制動器的一般標準，但是人造肌肉技術有着「功率標準」，即將人造肌肉的特性與天然肌肉相比。大體上說，比較標準包括應力、應變、應變速率、循環壽命和彈性模量 。也有一些研究人員已經考慮了其他標準（Huber等，1997），例如致動器密度和應變解像度。[5] 截至2014年，已知的最強大的人造肌纖維的功率是相同長度天然肌肉纖維的上百倍。 [6]

研究人員測量了人造肌肉的速度， 能量密度 ，功率，效率和形變量。可惜的是，沒有一種人造肌肉在所有測試項目中都能名列榜首。 [7]

類型 編輯

根據其驅動機制，可將人造肌肉進行分類。

電場驅動 編輯

電活性聚合物（EAPs）是可以通過施加電場來致動的聚合物。目前，最突出的EAPs包括壓電聚合物、介電致動器（DEA）、電致伸縮介質彈性體、液晶彈性體（LCE）和鐵電聚合物。雖然這些電活性聚合物可以彎曲，但它們的扭矩運動能力低，這限制了它們目前作為人造肌肉的用途。儘管面臨着諸多困難，但自20世紀90年代以來，EAP技術仍取得了重大進展。 [8]

氣體驅動 編輯

氣動人工肌肉（PAM）通過用加壓空氣填充氣囊而起作用。在向氣囊施加氣體壓力時，氣囊會發生各向同性的體積膨脹，但是受圍繞氣囊的編織線限制，PAM會將體積的膨脹轉換成沿致動器軸線的收縮。今天最常用的PAM是一種被稱為McKibben Muscle的圓柱形編織肌肉，它是由JL McKibben在20世紀50年代首次開發的。 [9]

熱驅動 編輯

熱驅動人造肌肉有着扭曲的紗線結構，通過外部加熱或者電熱，使扭曲的紗線或者紗線內部的填充物受熱膨脹從而引起整條人造肌肉紗線的收縮。

溶劑吸收驅動 編輯

溶劑吸收人造肌肉有與熱驅動人造肌肉類似的紗線結構，通過對人造肌肉表面噴灑溶劑液體或者溶劑蒸汽，使紗線內部的材料吸收從而體積發生膨脹來引起整條人造肌肉的收縮。

電化學驅動 編輯

電化學人造肌肉一般都在溶液或者凝膠中工作，在通電的情況下，利用溶液中離子移動填充使得紗線內部膨脹從而收縮。一般情況下溶液中的陰陽離子體積相差巨大。[10]

控制系統 編輯

三種類型的人造肌肉具有不同的制動方式，這些不同的方式進而影響了控制它們致動所需的系統類型。然而，值得注意的是，控制系統通常被設計成滿足給定實驗的規格，一些實驗要求組合使用各種不同的致動器或混合控制方案。其中電壓控制、電活性聚合物控制、氣動控制和熱控制為常見的幾種類型。

應用 編輯

人造肌肉技術在仿生機器中具有廣泛的潛在應用（例如機械人、工業執行器、動力外骨骼等）。基於EAP的人造肌肉結合了輕量化，低功率要求，彈性和靈活性等優點，可用於運動和機械操作。[2] 未來的EAP設備將應用於航空航天、汽車工業、醫學、機械人、娛樂、動畫、玩具、服裝、觸覺和觸覺界面、噪聲控制、傳感器、發電機和智能結構等諸多方面。[3]

與傳統氣動缸相比，氣動人造肌肉還具有更大的靈活性，可控性和輕便性。[11] 大多數PAM應用涉及使用類似McKibben的肌肉。[11] 諸如SMA的熱致動器具有各種軍事、醫療、安全和機械人應用，並且還可以用於通過機械形狀變化產生能量。 [12]

參見 編輯

參考文獻 編輯

  1. ^ (學位論文).  缺少或|title=為空 (幫助)
  2. ^ 2.0 2.1 Bar-Cohen, Yoseph (編). EAP Applications, Potential, and Challenges. SPIE Digital Library. 2004 [2019-01-13]. （原始內容 (PDF)存檔於2014-12-21）. 
  3. ^ 3.0 3.1 Cohen, Yoseph. Electroactive Polymers (EAP's). Caltech. [1 January 2014]. （原始內容存檔於2012-12-12）. 
  4. ^ Mirvakili, S.; et al. Artificial Muscles: Mechanisms, Applications, and Challenges. Advanced Materials. 2018, 30 (6): 1704407. doi:10.1002/adma.201704407. 
  5. ^ Tondu, Bertrand. http://www.intechopen.com/download/pdf/163 |chapterurl=缺少標題 (幫助). Hackel, Matthias (編). Humanoid Robots: Human-like Machines. InTech. 2007: 89–122. ISBN 978-3-902613-07-3. [失效連結]
  6. ^ Scientists just created some of the most powerful muscles in existence. io9. 20 February 2014 [20 October 2014]. （原始內容存檔於2019-10-03）. 
  7. ^
  8. ^ Cohen, Yoseph. Electroactive Polymers (EAPs). [1 January 2014]. （原始內容存檔於2012-12-12）. 
  9. ^ Artificial Muscles: Actuators for Biorobotic Systems (PDF). University of Washington. 1999 [21 February 2014]. （原始內容存檔 (PDF)於2010-07-18）. 
  10. ^ Sheath-run artificial muscles (PDF). Science. 2019 [12 July 2019]. 
  11. ^ 11.0 11.1 Frank Daerden. Pneumatic Artificial Muscles: actuators for robotics and automation (PDF). Vrije Universiteit Brussel, Department of Mechanical Engineering. 2002 [24 July 2013]. （原始內容存檔 (PDF)於2018-04-17）. 
  12. ^ Lin, Richard. Shape Memory Alloys. [3 January 2014]. （原始內容存檔於2012-10-21）. 
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