Предпосылки создания технических аналогов скелетных мышц

Марти А.Н., д.т.н. профессор,Директор НИИ «Систем управления и привода» г. Ставрополь Марти А.А., м.н.с. НИИ «Систем управления и привода» г. Ставрополь

Пневмопривод является одним из самых экономически эффективных приводов по техническим, экономическим и экологическим характеристикам. Но у пневмопривода есть один существенный недостаток. Исполнительным элементом пневмопривода является пневмоцилиндр. Сжимая воздух, пневмоцилиндр очень хорошо и экономически эффективно работает от одного крайнего положения до другого.

Но непрерывное повышение требований к качественным характеристикам пневмоприводов ставит задачу создания пропорциональных и даже адаптивных пневмоприводов. По причине высокой сжимаемости воздуха привода на базе пневмоцилиндров не могут естественным образом останавливаться с требуемой точностью в промежуточных положениях и с требуемой точностью отслеживать траекторию движения, как это происходит у гидравлических или электрических приводов.

Безусловно, изучены и существуют технические способы точного промежуточного позиционирования пневмоцилиндров, но при использовании существующих технологий, стоимость пневмоцилиндров значительно повысится.

Для устранения недостатка пневмопривода нужно либо уменьшить сжимаемость сжатого воздуха (что физически невозможно), либо разработать принципиально новый исполнительный элемент пневмопривода, для которого сжимаемость рабочего тела не является критическим фактором.

Финансовые перспективы от такого изобретения на рынке управляемых приводов инициировали в конце прошлого века работы по созданию исполнительного элемента, являющегося пропорциональным и не критичным к сжимаемости воздуха. Независимо друг от друга несколько научных центров одновременно начали работы по созданию такого элемента.

В Германии таким центром стал мировой лидер в области пневматики, концерн FESTO, удерживающий до 60% мирового рынка пневматики, в Англии работы велись компанией Shadow robot company, в США - компанией SRI International. В Бельгии работы велись фирмой Lucy. В России механические мышцы разрабатывались в НИИ «Систем управления и привода» при финансовой поддержке ОАО «Павловский автобус» и ОАО «Мехинструмент».

Перед всеми разработчиками и научными центрами стояла задача создать технический аналог самого эффективного двигателя, созданного природой на протяжении миллионов лет эволюционного развития живых существ. Можно копировать внешнюю, видимую сторону физического явления и в ряде случаев достичь некоего положительного результата, а можно уйти на глубину с целью познания единого для живой и неживой материи физического принципа, лежащего в основе феномена управляемого движения живой ткани в окружении неживой материи.

Достаточно ярким примером, поясняющим сказанное, является вся история создания летательных аппаратов: сколько сил и средств было затрачено на создание конструкций механических крыльев, копирующих крылья птиц. Но нужен был гений К.Э. Циолковского, который выявил физический принцип создания подъемной силы крыла и предложил его техническую реализацию.

Что мы наблюдаем при работе скелетных мышц: мышца сокращается и поднимает нагрузку. Это просто, это очевидно. По этой схеме сокращения живой ткани построена вся физиология и на этой основе инженеры искали пути технической реализации механизма сокращения.

Но принципиальным является вопрос об очередности актов сокращения и утолщения скелетных мышц. Что первично в акте работы скелетной мышцы: ее сокращение или ее утолщение? Во многом именно ответ на этот вопрос являлся определяющим для технических реализаций скелетных мышц.

Так, в двигателе линейного перемещения (АС. 1622659. опубл. 23.01.91. Бюл.3.) реализована система эластичной оболочки с направленной анизотропией механических свойств и периодически повторяющимися зонами повышенной жесткости (Рис.1).

Рисунок 1. Двигатель линейного перемещения по АС . СР 1622659.


Участки оболочки между зонами повышенной жесткости армированы размещенными в эластичном слое оболочки стальными спиралями левого и правого вращения.

В Axially contactable actuator (ЕР 0146261. от 14.11.84.) реализована схема ячеистого армирования гибкой сетью трубки из эластомерного материала. При этом ячейки сети создают элементы трансформации формы оболочки, приводящие в итоге к ее осевому сокращению. (Рис.2).

Рисунок 2. Axially contactable actuator. ЕР 0146261.


В Muskelartiges Kraftelement (ЕР 0677662. от 11.04.95.) применено армирование эластичной оболочки гибкими нитями, равномерно уложенными на поверхность оболочки.

В Fluid-driven tension actuator (ЕР 0209828. от 14.07.86.) применена схема армирования эластичной оболочки в форме однополостного гиперболоида. (Рис.3.)

Рисунок 3. Д вигатель линейного перемещения по АС . СР 1622659.


Существует достаточно большое количество аналогичных конструкций двигателей осевого сжатия подобного типа. Однако, на пути их серийной технической реализации встает целый ряд объективных проблем.

Но мы уже можем понять, что собой представляет механическая мышца на уровне изобретательской идеи. Это техническое устройство, состоящее из эластичной оболочки, армированной гибкими нерастяжимыми нитями. При подаче сжатого воздуха внутрь оболочки, последняя начинает раздуваться. Но ее произвольному раздутию (как воздушному шарику) препятствуют нити армирования. Раздувающаяся оболочка начинает опираться на нити армирования. Нити прогибаются и приводят к осевому сокращению всего устройства. Это осевое сокращение и используется в технике.

Сжимаемость воздуха в этом устройстве не оказывает влияния на кинематику сокращения, поскольку управляющим параметром устройства становится не расход воздуха, а его давление в оболочке. При этом механическая мышца абсолютно герметична, в ней полностью разделены рабочие среды, в ней нет трущихся частей, ей не нужна смазка и техническое обслуживание в период работы.

Однако, у механических мышц есть основное и нереализуемое другими техническими двигателями уникальное преимущество: механическая мышца обладает инверсной силовой характеристикой. Это значит, что любой двигатель начинает работать от минимальной мощности, которую он увеличивает в процессе разгона. Механическая мышца, наоборот, начинает работать от максимальной мощности, которая в конце сокращения снижается до нуля. Это свойство механических мышц наиболее важно для управляемого привода, поскольку позволяет осуществлять интенсивный разгон привода и последующее плавное торможение.

Необходимо отметить, что отмеченная выше совокупность технических характеристик, наряду с совершенно очевидной предельно низкой ценой (недостижимой для изделий с механообработкой) механических мышц в серийном производстве и определяет интерес специалистов к механическим мышцам. Появляется техническая и экономическая возможность применения пневмопривода в экономически привлекательных, но недоступных ранее приложениях, в которых ныне господствуют дорогие гидравлические и электроприводы.

Однако, описанная выше схема работы эластичной оболочки с нитями армирования является только красивой идеей. Для того, чтобы стать промышленным изделием, этому изобретению нужно реальное техническое исполнение и технологии серийного производства.

Выбор принципа передачи энергии от сжатого воздуха через эластичную оболочку и нити армирования на внешнюю нагрузку определяет конструкцию мышцы, технологию ее производства, технико-экономические характеристики готового изделия.

Все конструкции мышц с внутренним армированием связаны с высокими требованиями к физико-механическим свойствам материала эластичной оболочки, работающей со значительными знакопеременными деформациями.

Все конструкции мышц с наружным армированием наталкиваются на проблемы взаимного скольжения поверхности эластичной оболочки и нитей силового армирования. Причем эффект скольжения наибольшим образом проявляется у конструкций с сетками ромбического армирования.

Именно поэтому самым сложным вопросом при создании промышленно применимых механических мышц является вопрос обеспечения их ресурса.

Одним из наиболее финансируемых являлся проект создания механических мышц немецкого концерна FESTO. Идеологом проекта являлся сам президент компании г-н Штольц. Научные исследования вела группа ученых и инженеров в составе 12 человек под руководством Бернда Лоренца.

После разработки конструкции pneumatic muscle MAS (пневматический мускул MAS), его производство осваивал отдельный завод FESTO в Швейцарии со штатом из 50 высококвалифицированных специалистов.

При создании pneumatic muscle MAS FESTO г-н Штольц и Бернд Лоренс использовали принцип создания объемной ромбической сетки. Данная технология достаточно сложна, но FESTO ее успешно реализовала. Смысл технологии состоит в следующем. Поверх тонкой трубки эластомера, которая становится внутренним слоем мускула, наносится тонкий слой усиливающего полимера. Сверху винтовым образом укладывается первый слой нитей армирования с постоянным углом укладки. Данный слой заливается слоем усиливающего полимера. Поверх данного слоя укладывается второй слой нитей армирования с углом винта, противоположным первому. Сформирована пространственная ромбическая сеть. Эта сеть заливается слоем полимера, формирующего внешнюю оболочку изделия. (Рис.4.)

Рисунок 4. В нешний вид мускулов MAS, диаметрами 40, 20, 10 мм соответственно.


Мускул MAS развивает тяговое усилие в 10 раз большее, чем обычный пневматический цилиндр того же диаметра и потребляет при этом только 40% потребляемой им энергии. Мускул MAS-20 при давлении 0,8 МПа развивает начальное усилие в 120 кг. Для получения того же усилия достаточно трети поперечного сечения, ход при той же конструктивной длине меньше. Эти достоинства важны для многих существующих областей и открывают новые области внедрения пневматики.

В компании Shadow robot company (Англия) идеологом работ по созданию Air Muscle (воздушный мускул) явился Ричард Гринхил. Для создания Air Muscle было предложено поверх тонкой резиновой трубки одевать оболочку в виде сетчатого чулка. (Рис.5.)

Рисунок 5. Схема изготовления Air Muscle (воздушный мускул).


Силовые характеристики изделий с любой формой ромбических ячеек низки. Так, если мускул MAS – 20 FESTO за счет высочайшего качества материалов и совершенной технологии развивает усилие в 120 кг, то мускул Shadow robot company развивает усилие только в 12 кг.

Проблема низких усилий для мускулов с ромбическим армированием связана с технической невозможностью увеличить размер элементарной ячейки армирования больше 3мм, кольцо из которых является элементарным силовым элементом.

У мускулов MAS ячейка достигает технически возможного предела, у мускулов Shadow она значительно меньше. Поэтому силовые характеристики Air Muscle демонстрируются на незатейливых примерах. (Рис.6.)

Рисунок 6. Ужасающая картина сгибания гвоздя.


Потребителю предлагается два варианта заделки армирующей оболочки (Рис.7):

Рисунок 7. В нешний вид схем заделки нитей силового армирования Air Muscle.


Для подвода сжатого воздуха используется типовое пневматическое соединение для соответствующих диаметров трубопроводов. (Рис.8)

Рисунок 8. Внешний вид схемы подвода сжатого воздуха Air Muscle.


В компании LUCY robot company (Бельгия) (Рис.9) для создания механических предложено жесткую, воздухонепроницаемую камеру армировать пластиковыми прутьями.

Рисунок 9. Компания LUCY robot company (Бельгия).


При подаче в камеру сжатого воздуха, она разворачивается и нагружает при этом пластиковые прутья, что приводит к осевому сокращению всей конструкции.

Незначительные тянущие усилия механических мышц с ромбическим армированием при их больших габаритах сделали актуальными работы по поиску других вариантов решения существующей задачи.

Компания SRI International (USA) под руководством Бара Коэна, использует для производства мышц Artificial Muscle электроактивные полимеры.

Многие диэлектрические эластомеры, такие как силиконовые и акриловые пластики, под действием ВЫСОКОВОЛЬТНОГО электрического поля сжимаются вдоль силовых полей и расширяются перпендикулярно им. Этот известный физический эффект и было предложено использовать в механических мышцах.

На первом этапе изготавливается пленочный конденсатор – две параллельные проводящие пластины, между которыми проложен изолятор. При подаче напряжения положительные и отрицательные заряды скапливаются на противоположных пластинах. Пластины притягиваются друг к другу и сжимают полимерный изолятор, который при этом расширяется.

Для того, чтобы перейти к мышцам, было предложено сжатую винтовую пружину обернуть несколькими слоями пленки из диэлектрического эластомера. Полученная мышца способна развить усилие около 3 кг и сокращаться на 2 см при частоте срабатывания 50 Гц. При этом на мышцу необходимо подавать напряжение порядка 1000 – 5000 Вольт.

Однако, достичь значительных тянущих усилий и на этом пути пока не удалось.

В НИИ «Систем управления и привода» Марти А.Н. для создания Механической мышцы MATIS была предложена схема поперечного нагружения натянутой нити. Эта схема внешнего армирования эластичной оболочки силовыми нитями никогда ранее не применялась в производстве резиновых технических изделий. Никаких сведений о принципиальной возможности работы таких изделий не было.

Было предложено выполнить армирование оболочки нитями, закрепленными на торцах мышцы (Рис.10.). В этом случае получали схему нагружения натянутой нити поперечной нагрузкой. Теоретически известно, что при такой схеме нагружения в нити возникают огромные осевые усилия. Если удастся эту силу передать внешней нагрузке, то мы получаем мускул, превосходящий по своим характеристикам все существующие. Чтобы понять это, достаточно вспомнить простой факт: провод линии электропередачи выдерживает несколько тонн осевой нагрузки. Но несколько килограмм налипшего на него снега приводят к обрыву электрического провода.

Рисунок 10. Механические мышцы MATIS.


Область применения Mechanical muscle MATIS , благодаря низкой цене привода, отсутствию необходимости обслуживания, низким требованиям к качеству сжатого воздуха, высокой мощности и надежности, весьма широка и охватывает все автомобильные приложения сервисных приводов. Приводы станочной и технологической оснастки (высокие усилия и малые габариты), геофизические приборы (абсолютное разделение срез, нечувствительность к грязи, воде, песку), авиационные привода (соотношение мощность-вес). См. последующие статьи.

В результате работ в данном направлении была создана механическая мышца MATIS, превосходящая по всем технико-экономическим показателям существующие аналоги. При создании этого изделия была разработана теория работы нитей силового армирования на деформируемом основании, что позволило опровергнуть утверждения о невозможности обеспечения ресурса для механических мышц с внешним силовым армированием.

Возникает вопрос: «Неужели такой концерн, как FESTO не мог реализовать более сложную, но гораздо более эффективную схему мускула?». Мы беседовали с Берндом Лоренцом на эту тему. FESTO хотел изначально реализовать простую конструкцию, а затем перейти к более сложной, которой и является Mechanical muscle MATIS.

При этом, представители концерна FESTO, обладающего огромными финансовыми ресурсами, не допускали и мысли о возможности решения столь сложной научно-технической проблемы другими научными организациями.