Was ist ein künstlicher Muskel?
Weiche Aktuatoren, die durch Verformung eines flexiblen Materials Kraft erzeugen, wenn dieses mit externer Energie beaufschlagt wird, werden auch als künstliche Muskeln bezeichnet. Es wird erwartet, dass sie in medizinischen Geräten, Mikromaschinen, humanoiden Robotern, tragbaren Geräten und anderen menschenähnlichen Anwendungen eingesetzt werden, die über die Industrieroboteranwendungen hinausgehen, für die bisher hauptsächlich konventionelle Aktuatoren verwendet wurden. Es wird erwartet, dass der Einsatz künstlicher Muskeln über die Industrieroboteranwendungen hinaus, für die bisher hauptsächlich konventionelle Aktuatoren verwendet wurden, zunehmen wird.
Es gibt verschiedene Arten von künstlichen Muskeln, je nach Energiezufuhr, z. B. polymere Aktoren, die sich durch elektrische, magnetische oder chemische Energie verformen, und pneumatische künstliche Muskeln, die sich durch Flüssigkeitsdruck wie Luft oder Hydraulikdruck verformen. In diesem Abschnitt werden pneumatische künstliche Muskeln beschrieben, die sich bei Anwendung von Luftdruck zusammenziehen.
Pneumatische künstliche Muskeln
Pneumatische künstliche Muskeln sind röhrenförmige künstliche Muskeln, die sich bei Anwendung von Luftdruck zusammenziehen.
Sie zeichnen sich durch eine mäßige Elastizität und eine hohe Leistung im Verhältnis zu ihrem Eigengewicht aus, da sie ein komprimierbares Fluid, die Luft, verwenden.
Die künstlichen Muskeln vom Typ McKibben stehen stellvertretend für die röhrenförmigen pneumatischen künstlichen Muskeln, die seit langem erforscht werden und mit der Entwicklung von tragbaren Geräten und weichen Robotern neue Aufmerksamkeit erlangen.
Künstliche Muskeln des McKibben-Typs bestehen aus einem Gummischlauch und einem um seinen Umfang geflochtenen Geflecht. Die radiale Ausdehnung des Gummischlauchs verändert den Winkel des Geflechts, wie im folgenden Diagramm dargestellt, und erzeugt eine axiale Kontraktionskraft.
Pneumatische künstliche Muskeln kontrahieren durch die Veränderung des Winkels der Geflechtmaschen.
Bei künstlichen Muskeln vom Typ McKibben liegt der angewandte Druck in der Regel bei 100-700 kPa (G), und der Umfang der Kontraktion nimmt mit steigendem Druck zu, ebenso wie die maximale Kontraktionskraft.
Das Ausmaß der Kontraktion kann bis zu 20 % der Ausgangslänge betragen, und die erzeugte Kontraktionskraft kann je nach Durchmesser und angewandtem Druck des pneumatischen künstlichen Muskels gesteuert werden.
Anwendungen der pneumatischen künstlichen Muskeln
Es wird erwartet, dass pneumatische künstliche Muskeln, die leicht sind und eine hohe Leistung erzeugen können, in tragbaren Geräten und weichen Robotern zum Einsatz kommen werden.
Andererseits verlieren pneumatische künstliche Muskeln an Flexibilität, wenn der ausgeübte Druck erhöht wird, was es schwierig macht, sowohl eine hohe Leistung als auch Flexibilität zu erreichen, z. B. bei tragbaren Geräten, bei denen die Muskeln den Bewegungen des menschlichen Körpers folgen müssen.
In den letzten Jahren ist es mit dem Aufkommen pneumatischer künstlicher Muskeln mit kleinem Durchmesser möglich geworden, diese parallel zu verwenden, um eine große kontraktile Kraft zu erzielen, ohne die Flexibilität des pneumatischen künstlichen Muskels zu verlieren.
Darüber hinaus wurden spezielle Steuergeräte auf den Markt gebracht, die die Kontraktion pneumatischer künstlicher Muskeln programmieren und eine automatische Steuerung pneumatischer künstlicher Muskeln ermöglichen, und die Bemühungen um eine umfassende gesellschaftliche Umsetzung pneumatischer künstlicher Muskeln werden immer schneller.