Músculos artificiales para llevar la crisis a la tensión robótica

Hábito, la prótesis de robot crece. En muchos proyectos, hackers y creadores han asumido el desafío. Desde Enabling The Future, Project Open Hand, OpenBionics hasta innumerables proyectos de prótesis en La-Tecnologia.io. Sin embargo, la mecatrónica que impulsa a la mayoría de ellos sigue siendo del siglo pasado. Al final del día, solo puede poner tantos motores y engranajes en miniatura en una mano de plástico, y solo una cierta cantidad de hidráulica cabe en un brazo o pierna antes de que se convierta en un ladrillo lento y pesado, más engorroso que útil. Si tan solo tuviéramos unos pocos de estos actuadores ligeros, rápidos y potentes que nos ayudan a pasar todo el día. Si tan solo tuviéramos músculos artificiales.

Los músculos artificiales son, según una definición generalmente aceptada, un dispositivo o material que puede cambiar radicalmente su forma en respuesta a un estímulo externo. Este cambio de forma se puede utilizar para correr, imitando los músculos naturales. En este sentido, un cilindro hidráulico simple no califica como músculo artificial, principalmente porque ninguna de sus partes cambia de forma durante el funcionamiento. Por el contrario, un hilo de pescar que cambia de longitud en función de su temperatura puede denominarse músculo artificial. Décadas de investigación han dado lugar a tecnologías prometedoras, así que, ¿cuándo podemos empezar a instalarlas?

Músculo artificial neumático (PAM)

Se les conoce con muchos nombres, como músculos McKibben, según su inventor JL McKibben, músculos del aire o músculos artificiales neumáticos (PAM). En principio, consisten en una burbuja de goma inflable dentro de una trenza cilíndrica enrollada helicoidalmente con trampa para dedos china. Cuando se aplica presión de aire a la vejiga, se hincha dentro de la trenza limitadora, que redirige la fuerza de expansión en una fuerza de contracción al cambiar su ángulo de trenza. Sin embargo, cuanto más se contrae el músculo, más pronunciado se vuelve el ángulo de la trenza y se aplica menos fuerza a lo largo del eje del músculo. Esto también enfatiza el material trenzado, que debe resistir varias veces la fuerza contráctil ejercida por el músculo.

Animación del funcionamiento de PAM (de Rocketmagnet CC-BY-SA 3.0)

Además, la presión dentro de la vejiga debe ser varias veces mayor que la presión que puede ejercer el músculo en una dirección de contracción. Incluso si se ha utilizado un material trenzado extremadamente fuerte y se descuida la influencia del ángulo de trenzado, el músculo aún se contrae contra su presión de aire interna, lo que limita la relación de contracción y la fuerza. Cuanto más se contrae el músculo, menos fuerza puede ejercer. Las relaciones de contracción típicas pueden estar entre el 25% y el 35% para el músculo descargado. Por supuesto, una prótesis o un robot basado en aceleradores PAM requiere un compresor fuerte para tensar sus músculos, junto con una multitud de válvulas de control. Inventados en la década de 1950, ciertamente no son el último éxito, pero los PAM todavía se utilizan experimentalmente en robótica. Son baratos, livianos y accesibles, y también un excelente punto de partida para la robótica de bricolaje.

Este "Pneupard" está alimentado completamente por PAM (fuente de video).

Polímeros electroactivos (EAP)

Los músculos artificiales basados ​​en polímeros se salvan de muchas desventajas de los músculos artificiales neumáticos. Estos materiales generalmente experimentan un cambio de forma en respuesta a un campo eléctrico de alto voltaje, entregado por electrodos adheridos al material.

EAP operó una fuente de video hexápodo

Diagrama de fases de mezclas EAP. Fuente de imagen

La mayoría de los EAP son mezclas de polímeros, copolímeros y aceites, compuestos en geometrías 3D complejas. La proporción de mezcla determina la estructura molecular y las propiedades del material. Se utilizan materiales ferroeléctricos o piezoeléctricos para obtener sus propiedades electroactivas. En términos de relación de estrés, fuerza y ​​eficiencia, los EAP son actualmente una de las tecnologías de músculos artificiales más prometedoras.

Sin embargo, después de décadas de investigación, el obstáculo fundamental para las PEA aún existe: el poder. Hay polímeros piezoeléctricos, actuadores dieléctricos (DEA), elastómeros de injerto electroestrictivos, elastómeros de cristal líquido (LCE), polímeros ferroeléctricos y muchos más. Sus principios funcionales se basan generalmente en fuerzas intramoleculares, intermoleculares o electrostáticas. Estas fuerzas actúan en distancias muy cortas y disminuyen desproporcionadamente al aumentar la deformación. Los EAP también operan en un solo ciclo en el que se debe entregar todo el producto de trabajo mecánico de la contracción total: una vez que el EAP se contrae o expande por completo, no puede realizar la misma interacción molecular nuevamente para contraerse o expandirse más.

Este diagrama de producción de potencia específica para varios tipos de músculos artificiales muestra que, en teoría, algunos actuadores de polímeros electroactivos pueden dar un resultado similar al de los músculos naturales (esquina inferior izquierda), sin embargo, los valores prácticos pueden ser de 10 a 100 veces más bajos. (Fuente: nasa.gov)
Expansión y contracción electroactiva de un paquete de aerogel de nanotubos de carbono (fuente de video).

Una solución a esto podría estar en nanotubos de carbono. Su alta conductividad eléctrica, resistencia y capacidad para existir en una amplia gama de densidades, desde haces densos hasta geles de aire, pueden desbloquear nuevos materiales EAP en el futuro. Se ha descubierto que los haces retorcidos de nanotubos de carbono se expanden electroactivamente en más de un 200% y también entregan una potencia específica en el rango de 50 W / kg, lo que los coloca en la misma unión que los músculos naturales.

Sin embargo, si bien varios EAP ya están disponibles comercialmente y encuentran una amplia gama de aplicaciones, desde actuadores de válvulas silenciosos hasta transductores acústicos, los músculos artificiales basados ​​en nanotubos de carbono siguen siendo un tema de investigación y no un material del todo para comprar y usar. .

Músculos artificiales alimentados térmicamente

De manera análoga a los EAP, los materiales operados térmicamente cambian su forma dependiendo de la temperatura. El experimento de la línea de pesca es un ejemplo popular de este tipo de dispositivo. Muestra que una simple cuerda de polietileno, básicamente un hilo de pescar, ya es una especie de músculo: simplemente calentándolo, se encogerá en un pequeño porcentaje. Al retorcer y enrollar la cuerda, es posible crear un músculo artificial impulsado térmicamente que puede encogerse en aproximadamente un 50% y producir hasta 4 kN / cm2 de presión. Desafortunadamente, el músculo de una línea de pesca se contraerá significativamente menos bajo carga. Sin embargo, su tiempo de respuesta ligero y rápido, dado el rápido sistema activo de calentamiento y enfriamiento, conduce a salidas de potencia específicas que incluso pueden exceder el rendimiento de los músculos naturales.

El experimento del músculo de la línea de pesca realizado por sus descubridores originales de la Universidad de Texas en Dallas (Fuente video).

Una alternativa más fuerte a la línea de pesca es Shape Memory Alloy (SMA). Las SMA son aleaciones metálicas que pueden cambiar de forma en función de su temperatura. Esto es posible porque las aleaciones con memoria de forma, a diferencia de otras aleaciones, pueden coexistir en dos fases: martensita y austenita. En su estado frío, SMA permanece en la fase de comadreja y puede deformarse plásticamente. Si el SMA luego se calienta por encima de su temperatura de transición, cambiará a su fase austenítica, que "recuerda" y restaura su forma original. Incluso después de que se enfríe nuevamente, permanecerá en su forma indefinida original. Este modo de funcionamiento, en el que el SMA recuerda solo su estado original, se denomina memoria de forma unidireccional. La memoria de forma bidireccional se puede lograr, entre otros métodos de entrenamiento, deformando severamente la SMA en su estado frío. Luego, volverá a su estado original cuando se calienta por encima de la temperatura de transición, pero volverá al estado deformado después de que se enfríe nuevamente.

Los procedimientos son muy similares: partiendo de la comadreja (a), agregando deformación reversible para el efecto unidireccional o deformación severa con una cantidad irreversible para el bidireccional (b), calentando la muestra (c) y refrescándola nuevamente (d) (pie de foto y imágenes de Wikipedia, fuente de imagen 1, fuente 2 CC BY-SA 2.5)
Este pequeño robot "Stiquito" es impulsado por diminutos músculos de nitinol (fuente de video).

Los AME tienen una variedad de aplicaciones en muchas industrias y, con su fuerza y ​​longevidad, también se consideran para su uso como músculos artificiales. Sin embargo, no están exentos de inconvenientes. Por ejemplo, su velocidad de funcionamiento es extremadamente lenta en comparación con otros materiales, lo que limita su potencia general. Además, dado que el titanio de alta pureza es la principal materia prima para SMA de alta calidad como el nitinol, estos materiales siguen siendo muy caros.

Músculos naturales

Los músculos naturales transforman la energía química directamente en energía mecánica en respuesta a la estimulación eléctrica. Su eficiencia puede ser baja, alrededor del 25% "desde la comida hasta el pie", pero considerando que se duplican como almacenamiento temporal de energía y en realidad transforman el 50-65% de la energía química que se les entrega en trabajo mecánico utilizable, nos benefician.

A nivel microscópico, los músculos se parecen más a conjuntos micromecánicos, no muy diferentes de las máquinas y la tecnología que se encuentran hoy en día en las aplicaciones. De hecho, el "Modelo de filamento deslizante de contracción muscular" muestra muchas similitudes con los aceleradores de movimiento lineal de posición.

Filamentos de miosina con motores de miosina (verde), filamentos de actina (rojo) (Fuente de video)

Durante la contracción de un músculo natural, las cabezas de las moléculas de proteínas fibrosas, que pueden denominarse motores de miosina, realizan repetidamente un movimiento de caricia, llamado golpe de potencia. Los golpes repetidos dan como resultado un movimiento lento que permite que la fibra de miosina se tire activamente entre los filamentos de actina. El proceso es impulsado por moléculas de ATP ricas en energía, que se descomponen en el proceso.

Este pequeño motor lineal se llama sarcómero y sus principales componentes mecánicos son los filamentos de miosina y actina, junto con las membranas que lo mantienen unido. Cada fibra muscular natural es un haz de innumerables de estos sarcómeros.

Animación del motor "colvermo" de la pieza: así como los motores de miosina se arrastran por las fibras de actina, los motores piezo "caminan" por la superficie. (Animación de LaurensvanLieshout CC BY-SA 3.0)

En el núcleo de cualquier músculo, el trabajo mecánico se realiza mediante los poderosos golpes de innumerables moléculas de miosina, y este golpe es un cambio de forma inducido químicamente. Sin embargo, la contracción real de un músculo se logra mediante caricias repetidas, similar al movimiento de arrastre de algunos motores piezoeléctricos, y la capacidad de los componentes en cuestión para deslizarse juntos, similar a un conjunto cilíndrico hidráulico. Al combinar las ventajas del cambio de forma molecular y las fuerzas de unión intermolecular con una micromecánica compleja, los músculos naturales pueden producir hasta 33 N / cm2 de fuerza a medida que se contraen en aproximadamente un 30%. Su potencia alcanza unos 100 W por kilogramo de masa muscular. Por lo tanto, los músculos naturales aún no se cumplen como referencia, pero los EAP, especialmente los compuestos de nanotubos de carbono, se están poniendo al día. Todavía puede ser un largo camino hasta que encuentren su camino hacia la robótica. Sin embargo, existe el potencial y, en este momento, es un buen momento para experimentar con tecnología accesible, como los músculos aéreos.

EAP está en camino, prepárate. (Fuente: nasa.gov)

• Alex Rossie dice:

  Gran lectura gracias.

  Siempre me ha interesado esto.

  Las futuras implementaciones de robots * deben * incluir estos!

• Andrés dice:

  He mantenido una lista mental de todas estas tecnologías durante los últimos años para un proyecto que tengo en mente. Fue realmente genial ver a alguien romper todo en un documento. ¡Gracias!

  • notarealemail dice:

    ¡Sí! Otro artículo de HaD marcado como favorito. 🙂

• Dax dice:

  Hay un niño nuevo en la cuadra:

  http://phys.org/news/2016-06-actuators-muscle.html

  Un músculo neumático que trabaja por vacío.

  • Dax dice:

    http://cdn.phys.org/newman/gfx/news/hires/2016/actuatorsins.gif

    “El actuador, que consta de vigas de goma blanda o 'elastoméricas', está lleno de pequeñas cámaras de aire huecas como un panal. Con un vacío las cámaras colapsan y todo el actuador se contrae, generando movimiento. La estructura interna de nido de abeja se puede personalizar para adaptarse a movimientos lineales, de torsión, flexión o combinados. "

    • Moritz Walter dice:

      ¡Interesante! ¡Gracias por compartir esto!

    • Hirudinea dice:

      Bueno, me preguntaba si un sistema podría combinar esto y el PAM en un sistema completo, usar una bomba para transmitir fluido de trabajo desde el músculo de vacío al músculo neumático para mover una articulación con potencia en ambas direcciones y tiene la ventaja de un sistema cerrado.

  • notarealemail dice:

    ¡A los diseñadores de increíbles robots de múltiples patas les encantarán! Me pregunto si podría imprimirse en 3D fácilmente. Leí sobre algunas impresiones flexibles, pero parece complejo.

• Matt Cramer dice:

  ¿Alguien más encuentra estos recordatorios del "myomer" en los juegos de Battletech? Es bastante agradable ver que en realidad existe de alguna manera ahora.

• MRO4RPAS (@ mro4rpas) dice:

  Te perdiste este fascinante método de entrega. https://www.disneyresearch.com/publication/fluid-soft-actuator/ Puede ser compatible aunque también es fuerte. Está alimentado en algún lugar por el actuador mediante un motor paso a paso o similar, por lo que la mecánica del actuador puede ser mucho más liviana. Aliviar a los actuarios los hace más seguros y cumplirlos también ayuda.

  • Moritz Walter dice:

    ¡Guau, eso es genial, gracias por compartir! Preguntándose qué harán a continuación. ¿La bella y la bestia hidráulica?

• ¡No! dice:

  Estaba interesado en los músculos termoneumáticos, pero era demasiado vago para investigar.

• Galane dice:

  Una idea que se me ocurrió hace años hace que los PAM tengan un diámetro más pequeño con muchos anillos rígidos a su alrededor, luego ensambles varios de ellos para que los anillos de algunos coincidan con las áreas no anilladas de otros.

  El músculo natural tiene muchos actuadores diminutos que tiran de una distancia corta. Insertar muchos diámetros diminutos de PAM a través de los anillos, haciendo que actúen como si muchos de ellos estuvieran conectados de un extremo a otro, debería simular ese aspecto de los músculos naturales.

  El concepto debería funcionar con otras tecnologías que puedan retirar un porcentaje significativo de su longitud de holgura. Conecte muchos cortos de un extremo a otro, luego únase a muchas de estas "margaritas".

• Dan # 1438459043 dice:

  Gracias, este es un artículo muy bien escrito, excepto que no menciona los tendones y su función de almacenamiento de energía, que en los sistemas naturales constituye la otra mitad de la unidad funcional y las proporciones están determinadas por la función de la articulación, la combinación la unidad está asociada.

  Ver: http://jap.physiology.org/content/68/3/1033.long

  En las máquinas tendríamos resortes, elastómeros o fluidos compresibles y así sucesivamente.

• B dice:

  Anteriormente produje algo de músculo artificial de pesca en mi garaje, las cosas son bastante ordenadas y fáciles de hacer. Los tejí en tela como un material con aceite mineral frotado sobre ellos y puedes obtener una fuerza real de ellos en tal paquete. Ojalá pudiera encontrar un proveedor que todavía fabrique nylon recubierto de plata en mi área, escuché que se puede usar electricidad para calentar el revestimiento plateado y así encoger el nylon.

• Luego dice:

  Me doy cuenta de que lo olvidé.

• don vukovic dice:

  @Anon 2350 - vere