Spulenlinearaktuatoren für Soft Robotics

Jul 12, 2023

Northern Arizona University, Flagstaff

Auf dem Gebiet der Robotik sind Forscher ständig auf der Suche nach den schnellsten, stärksten, effizientesten und kostengünstigsten Möglichkeiten, Roboter so anzutreiben, dass sie die Bewegungen ausführen, die sie zur Ausführung ihrer beabsichtigten Funktionen benötigen.

Die Suche nach neuen und besseren Antriebstechnologien und „sanfter“ Robotik basiert oft auf Prinzipien der Biomimetik, bei der Maschinenkomponenten so konzipiert sind, dass sie die Bewegung menschlicher Muskeln nachahmen und diese im Idealfall sogar übertreffen. Trotz der Leistung von Aktuatoren wie Elektromotoren und Hydraulikkolben schränkt ihre starre Form ihre Einsatzmöglichkeiten ein. Während Roboter zu mehr biologischen Formen übergehen und Menschen nach mehr biomimetischen Prothesen verlangen, müssen sich Aktoren weiterentwickeln.

Forscher haben eine Hochleistungstechnologie für künstliche Muskeln entwickelt, die aufgrund ihrer Flexibilität und Anpassungsfähigkeit eine menschenähnlichere Bewegung ermöglicht. Sie nennen die Aktuatoren „cavatappi“, künstliche Muskeln, aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit Cavatappi-Nudeln.

Aufgrund ihrer spiralförmigen Struktur können die Aktoren mehr Leistung erzeugen, was sie zu einer idealen Technologie für Anwendungen in der Biotechnik und Robotik macht. In der ersten Arbeit des Teams zeigten sie, dass künstliche Cavatappi-Muskeln spezifische Arbeits- und Kraftwerte aufweisen, die zehn- bzw. fünfmal höher sind als die menschlichen Skelettmuskeln, und dass sie mit der weiteren Entwicklung eine noch höhere Leistung erwarten.

Die künstlichen Cavatappi-Muskeln basieren auf gedrehten Polymeraktoren (TPAs), die bei ihrer Einführung leistungsstark, leicht und kostengünstig waren; Allerdings waren sie auch sehr ineffizient und langsam zu betätigen, da sie erhitzt und gekühlt werden mussten. Zudem beträgt ihr Wirkungsgrad nur etwa 2 Prozent. Die neuen Cavatappi-Aktuatoren nutzen zur Betätigung Druckflüssigkeit, wodurch sie viel schneller reagieren können. Daher ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie übernommen werden, weitaus größer. Sie weisen außerdem eine kontraktile Effizienz von bis zu etwa 45 Prozent auf, was im Bereich der sanften Betätigung sehr hoch ist.

Die Technologie könnte in Soft-Robotik-Anwendungen, konventionellen Roboteraktuatoren wie Laufrobotern oder möglicherweise in unterstützenden Technologien wie Exoskeletten oder Prothesen eingesetzt werden.

Zukünftige Arbeiten werden den Einsatz künstlicher Cavatappi-Muskeln in vielen Anwendungen umfassen, da sie neben anderen Vorteilen einfach, kostengünstig, leicht, flexibel, effizient und energierückgewinnend sind.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Northern Arizona University Communications unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.; 928-523-2282.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Augustausgabe 2021 des Motion Design Magazine.

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