Запечатлевая движение,
Создавая истории

Искусственная мышца — это привод, который генерирует силу путем деформации. Её разработка может значительно ускорить технологический процесс исследований в области роботов и искусственных конечностей. У неё широкий спектр сценариев применения. В настоящее время существует множество искусственных мышц, которые генерируют силу на основе различных принципов.

Расширяемая структура, в которой форма изменяется за счет складывания и раскладывания, может быть применена в самых разных сценариях. Эта структура имеет естественную способность складываться и раскладываться. Знаменитая структура оригами является типичной раскладываемой структурой, и различные функции могут быть реализованы за счет складчатой деформации.

Для будущего развития существует проблема с этой структурой: как сделать эту расширяемую структуру пригодной для безбумажного массового производства. Недавние исследования бумажных оригами-структур показали, что даже в отсутствие внешних нагрузок картон склонен к изгибу во время деформации при активации оригами-структур. Это требует использования толстого картона для увеличения жесткости. Очень сложно непосредственно печатать на толстом картоне сложные расширяемые структуры оригами/киригами.

Для решения этой проблемы исследователи из Университета Шаньтоу предложили подобный головоломке способ соединения толстых нейлоновых листов и использования приводов из сплавов с эффектом памяти (SMA) для развертывания искусственной мышечной структуры. Эта структура активируется в ответ на изменения температуры, генерируя тяговые и толкающие силы, а также, внося геометрические изменения, меняя расположение нескольких единиц (сериально-параллельно или изменяя способ вставки SMA), можно создать кодируемый ответ силы.

Структура состоит из двух основных единиц: квадрата со стороной длиной n и параллелограмма со сторонами длиной n и m и углом α, которые соединены петлями, а в середину вставлен лист из сплава никеля и титана для привода.

В эксперименте на точки A, D, E и E' конструкции прикреплены четыре отражающих маркера. Для отслеживания пространственного положения каждого маркера в реальном времени используются шесть камер захвата движения NOKOV, одновременно рассчитываются расстояние AD и угол ∠EDE' при различных условиях, а также сопоставляются результаты моделирования с измеренными результатами системы захвата движения. Точность измерений системы захвата движения NOKOV чрезвычайно высока, точность координат достигает субмиллиметрового уровня, а точность измерения углов — 0,1°, что позволяет точно получать данные о состоянии конструкции киригами в процессе деформации.

Экспериментальные результаты показывают, что структура киригами проявляет ожидаемую деформацию при изменении температуры, а измеренные расстояние AD и угол ∠EDE' находятся в хорошем соответствии с аналитической геометрической моделью. Согласно данным измерений, диапазон изменения расстояния AD и угла ∠EDE' увеличивается с увеличением α.

Кроме того, исследователи использовали эту искусственную мышечную структуру для создания robotic arm, к которому был прикреплён груз в 10 г, и нагревали структуру, чтобы она сокращалась и расширялась для подъёма груза, а затем тестировали тяговую и толкающую силу структуры соответственно.

Библиография:

[1]Ян, Н., Дэн, Y., Ню 2100493, X., Искусственные мышцы на основе развертываемых структур, генерирующие закодированные силы. Adv. Mater. Technol. 2021, 6, 2100493.