WP1610 Künstliche Muskeln

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Titel Künstl. Muskeln
Veranstaltung PS Biomechanik
Autoren Samuel Augustiny, Johanna Ochmann, Alexy Georgos
Bearbeitungsdauer 45 min
Präsentationstermin 25.01.2017
Zuletzt geändert 19.01.2017


Einleitung

Künstliche Muskeln sind Hauptgegenstand von leistungsfähigen Robotern, Prothesen und Exoskeletten. Sie bestehen im Gegensatz zu dem biologischen Muskel aus Kunststoffen oder Metallen, die sich auf einen externen Reiz hin zusammenziehen und wieder ausdehnen können. Ziel ist es, eine elegante und energieeffiziente Bewegungsweise von Lebewesen in künstliche Muskeln als technisches Modell zu überführen. Also dem natürlichen Vorbild möglichst nahe zukommen.

Vorteil der künstlichen Muskeln ist deren Einfachheit: Sie benötigen keine Motoren oder Hydraulik, dadurch sind sie leicht, klein und flexibel einsetzbar. Außerdem können sie deutlich höhere Kräfte als natürliche Muskeln entfalten. (vgl. Lindinger)

Verfasst von Johanna Ochmann

Geschichte

Die ersten künstlichen Muskeln, die man auch so bezeichnen kann, wurden 1950 von Kuhn und Katchalsky hergestellt. Sie tauchten eine Faser in eine Flüssigkeit ein und veränderten dabei den pH-Wert. Dem entsprechend zog sich die Faser zusammen, bzw. dehnte sich aus. Allerdings war die Reaktionszeit bzw. Kontraktionsgeschwindigkeit ziemlich langsam. Es dauerte einige Minuten, um eine Wirkung feststellen zu können. Erst in den 1980er Jahren konnte man die Reaktkionsgeschwindigkeit und die Kontraktionsgeschwindigkeit in Sekunden messen. [Brook]

Ein anderer Ansatz für künstliche Muskeln entwickelte der Atomphysiker McKibben mit Hilfe von pneumatischen Mechanismen. Die Tochter des Physikers leidete in den 1950er Jahre unter Polio und hatte daher sehr schwache Muskeln. Damit die kranke Tochter trotzdem ihren Arm und Finger bewegen konnte entwickelte McKibben einen Balg, eine verwobene Helixstruktur. Er füllte bzw. leerte den Balg mit CO2 und konnte so eine Kontraktion bewirken. Allerdings hatte diese Technik den Nachteil, dass man immer eine CO2 Flasche mitführen musste und auch das Befüllen bzw. Entleeren des Muskels musste mit einem Ventil manuell gesteuert werden. So setzte sich in den 1960er Jahre im Bereich der Protesenentwicklung zunächst Elektromotoren durch. Erst Bridgestone in Japan konnte Pneumatische Muskeln in den 1980er Jahren zur Marktreife entwickeln. Die Japanische Firma entwickelte für einen Roboter einen so genannten „Soft Arm“, um Malerarbeiten durchzuführen. Der „Soft Arm“ kann aber auch eingesetzt werden, um behinderten Menschen zu helfen. Inzwischen hat man die Helixstruktur mit einer Faltstrukur, welche radial um einen Mittelpunkt gelegen ist, ersetzen können. Die Faltstruktur hat den Vorteil weniger Energie zu verbrauchen, unter anderem weil sie eine geringere Reibung hat und auch keine Energie aufwenden muss um den Balg zu entleeren, und kann auch sehr leicht ausgeführt werden. (Tondu et al) (Hogett) (Kim et al S. 8ff)
verfasst von Samuel Augustiny

Einführendes Beispiel

Ein einführendes Beispiel kann helfen, die Problemstellung zu verdeutlichen.

Einführendes Beispiel: Superkraft dank Angelfaden
Forscher aus Texas haben Aktoren aus gewöhnlichen Nylonfäden, wie man sie für gewöhnliche Anglerleinen verwendet entwickelt. Das Material reagiert auf Hitze: sobald elektrische Spannung oder intensives Licht auf den künstlichen Muskel einwirkt, zieht er sich zusammen. Er gerät wieder in seinen ursprünglichen Zustand sobald er abkühlt. Vorteil ist, dass die Nylon-Aktoren Gegestände heben können, die hunderttausendmal schwerer sind als sie selbst und dabei nicht mal ermüden. Die Fasern wurden aus Nylonfäden mit eingeflochtenen Metallfäden für die Leitfähigkeit hergestellt. Eine natürliche Muskelfaser verkürzt sich bei Kontraktion um 20%, die künstliche hingegen um 50%. Mehrere solcher Bündel können bis zu 800 kg anheben, einzelne Fasern hingegen können Mimiken von Robotergesichtern ansteuern. (vgl. Lidinger)



verfasst von Johanna Ochmann

Einsatzgebiete

Künstliche Muskeln können in verschiedenen biomimetischen Bereichen eingesetzt werden: darunter Roboter, Prothesen und angetriebene Exoskelette. Die Kombination aus ihrem geringen Gewicht, geringen Leistungsbedarf und Belastbarkeit macht sie geeignet für den Einsatz für Fortbewegung und Manipulation. Die inhärente Elastizität trägt zur Dämpfung von Schwingungen bei, sodass solche Materialien zur Geräuschkontrolle verwendet werden können. Weitere Einsatzmöglichkeiten sind Energiegewinnung und taktile Schnittstellen durch Oberflächenanpassung (Braille Displays). (Anderson et al)
verfasst von Alexy Georgos

Beispiel:"In vivo - Muskeln"

  • „In vivo“ = im Lebendigen

Wissenschaftler der National Academy of Sciences haben zum ersten Mal einen künstlichen Skelettmuskel gezüchtet, der sich selbst regenerieren kann. Der künstliche Muskel ist dem natürlichen Muskelgewebe so ähnlich, dass die Methode auch mit menschlichen Zellen getestet werden konnte. Genauso wie beim echten Muskel dienten Myoblasten und Satellitenzellen als Grundlage für Skelettmuskelfasern. Wird ein Muskel verletzt, reparieren Satellitenzellen das geschädigte Gewebe. Aber nur Satellitenzellen in künstliches Gewebe einzupflanzen ist gar nicht so einfach. Die Forscher züchteten neue Muskelfasern im Labor, die funktionsfähige Satellitenzellen aufnehmen können. Zum Test, ob Zellschäden repariert werden können wurden die künstlichen Muskeln Schlangengift ausgesetzt und siehe da, nach zehn Tagen war der Muskel fast vollständig wieder erholt. Anhand von verschiedenen Versuchen an Mäusen konnte festgestellt werden, dass der künstlich entwickelte Muskel gut in lebendes Muskelgewebe einwächst und mit Sauerstoff und Blutgefäßen versorgt werden kann, sodass er auch größer und stärker wurde. Bislang war es aber noch nicht möglich künstlich erzeugtes Muskelgewebe mit dem Nervensystem zu verbinden und menschliche Muskelzellen mit ausreichend Blut zu versorgen, aufgrund ihrer Größe. Die Ergebnisse dieser Studie sind ein wichtiger Schritt um Krankheiten und Verletzungen zu behandeln und erforschen. Nun gilt es, die Technik weiter zu entwickeln. (vgl. Merlot)
verfasst von Johanna Ochmann

Prinzipien

Künstliche Muskeln können nach Betriebsart in drei Kategorien aufgeteilt werden

  • Pneumatische Muskeln PAM
  • Elektroaktive Polymere EAP
  • Formgedächtnis-Legierungen SMA

Pneumatische Muskeln

Pneumatische Muskeln sind kontrahierende oder expandierende Elemente, die mit Luftdruck betrieben werden. Sie bestehen meistens aus einem elastischen Schlauch, der von einer geflochtenen Masche überzogen ist. Wegen der anistropischen (richtungsabhängige) Beschaffenheit der Masche wird die radiale Volumenänderung des Schlauches in eine lineare Längenänderung umgewandelt.


Abb. 1: Pneumatischer Muskel in normaler Stellung
Abb. 2: Pneumatischer Muskel kontrahiert


Die pneumatischen Muskeln sind leicht, einfach zu produzieren und besitzen ein Längen-Kraft-Diagramm, das dem des biologischen Muskels sehr ähnlich ist. Der Hauptnachteil ist eine ständig erforderliche Luftdruckquelle z. B. Kompressor.

Pneumatische Muskeln können hydraulisch, d. h. mit einer Flüssigkeit wie Öl betrieben werden. Dies kann negative Auswirkungen auf die Elastizität und das Gewicht haben. (Daerden et al) (Robotshop Inc.) (Wikimedia Foundation Inc. - Pneumatic artificial muscles)


Elektroaktive Polymere

Polymere sind chemische Stoffe, die aus sich wiederholenden Strukturen (Makromoleküle) bestehen. Polymere können natürlicher Herkunft sein wie Cellulose, oder technischer Natur sein wie Kunststoffe, Plastik oder Gummi.

EAP sind Polymere, die auf einen elektrischen Stimulus mit einer Form- oder Volumenänderung reagieren. Die meisten EAP besitzen hohe Leistungsdichte, kurze Antwortzeiten im Millisekundenbereich und passive Elastizität für Dämpfung und Energierückgewinnung. (Peter)(Wikimedia Foundation Inc. - Electroactive polymers)

Formgedächtnis-Legierungen

Formgedächtnislegierungen (shape-memory alloy SMA) sind Metalle mit einer temperaturabhängigen Kristallstruktur. Wie der Name sagt, können sich SMA nach einer bleibenden plastischen Verformung unter Temperatureinwirkung an ihre ursprüngliche Form „erinnern“ und diese wieder einnehmen. (SMA/MEMS Research Group)




Vergleich zu konventionellen Antrieben

künstliche Muskeln bieten im Vergleich zu konventionellen Antrieben wie Elektromotoren oder Hydraulik folgende Vorteile:

  • sie sind leicht und haben eine hohe Leistungsdichte (Verhältnis von Leistung zur Masse) und einen hohen Wirkungsgrad (Verhältnis der Nutzenergie zur zugeführten Energie. Siehe Energieumwandlung)
  • sie besitzen eine inhärente Elastizität, die zur Schwingungsminimierung und zur Minimierung der Kraftspitzen beiträgt
  • sie können in Umgebungen eingesetzt werden, in denen Elektromotoren nur beschränkt zum Einsatz kommen können z. B. unter Wasser oder in Umgebungen mit explosiven Gasen (Anderson et al) (Kim et al S.8)


verfasst von Alexy Georgos

Ausblick

Einige Beispiele zeigen, wie vielfältig man künstliche Muskeln einsetzen kann und, dass sie Gegenstand zukünftiger Technologien werden.
Künstliche Muskeln: die Klimaanlage der Kleidung von morgen?:
Der Forschung nach, kann man künstliche Muskelfasern auch in Kleidung einweben, deren Maschen sich der Temperatur entsprechend öffnen oder schließen, so hat man eine integrierte Klimaanlage. Außerdem können sie auch in Klapp-Fenster oder Gewächshäuser eingebaut werden, die sich abhängig von der Aussentemperatur öffnen und schliessen lassen, so dass sie beispielsweise für genügend Frischluft sorgen können. Elektrische Motoren könnten so überflüssig werden. (vgl. Lidinger)

verfasst von Johanna Ochmann

Zusammenfassung

Grundsätzlich sind Künstliche Muskeln ein Wissenschaftsgebiet, welches noch viel Forschung bedarf. Man kann aber bisher schon sagen, dass die Grundprinzipien der künstlichen Muskeln pneumatische, elektroaktive oder Formgedächtnisantriebe sind. Einsatzgebiete sind beispielsweise Roboter, Exoskelette oder Prothesen. Der Stand der Forschung ist schon so weit, dass es zahlreiche Anwendungsbereiche für künstliche Muskeln gibt. Beispielsweise Forschungen, wie „in-vivo“ Muskeln benötigen noch Weiterentwicklung der technischen Möglichkeiten.

Abschliessende eine Tabelle, in der die Relevanten Eigenschaften von Künstlichen und natürlichen Muskeln aufgelistet sind: (NDEAA) (Yang)

Dehnung [%] Max. Druck [MPa] Max. Effizienz [%] Geschwindikeit
PAM 25 bis 40 0.8 bis 1.3 27 Langsam
EAP 60 bis 200 7 60 bis 90 Langsam / Mittel
SMA 5 bis 10 200 < 10 Langsam
Natürlicher Muskel > 40 0.35 > 35 Mittel


verfasst von Samuel Augustiny, Alexy Georgos, Johanna Ochmann

Fragen


  1. Was gibt es für Arten von Künstlichen Muskeln?

<spoiler | Antwort> Künstliche Muskeln können nach Betriebsart in drei Kategorien aufgeteilt werden

1- pneumatisch betrieben: Pneumatische / McKibben Muskeln

2- elektrisch betrieben: Elektroaktive Polymere oder Dielektrische Elastomere

3- thermal betrieben: Formgedächtnis-Legierungen oder Thermoaktive Polymere

</spoiler>

  1. Welche Arbeitsweisen sind künstlichen und natürlichen Muskeln gleich?

<spoiler | Antwort> Sowohl die künstlichen als auch die biologischen Muskeln können sich reversibel expandieren, kontrahieren und ihre Steifigkeit ändern. Diese Form- Steifigkeitsänderung kommt durch einen externen Reiz zustande </spoiler>

Literatur

Anderson; Iain A.; Gisby, Todd A.; McKay Thomas G.; O’Brien, Benjamin M.; Calius, Emilio P. Multi-functional dielectric elastomer artificial muscles for soft and smart machines in AIP Journal of Applied Physics August 2012 DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4740023.

Brook, David L. Dynamic Model and Control of an Artificial Muscle based on Contractile Polymers in A.I.Memo No. 1331 November 1991, Online: http://www.ai.mit.edu/projects/muscle/papers/memo1331/memo1331.html Zugriff am: 18.1.2017.

Daerden, Fank; Lefeber, Dirk Pneumatic Artificial Muscles: actuators for robotics and automation Online: http://lucy.vub.ac.be/publications/Daerden_Lefeber_EJMEE.pdf Zugriff am: 18.1.2017.

Hoggett, Reuben 1957 – “Artificial Muscle” – Joseph Laws McKibben (American) in cyberneticzoo.com Online: http://cyberneticzoo.com/bionics/1957-artificial-muscle-joseph-laws-mckibben-american/ Zugriff am: 8.1.2017.

Kim, Kwang J.; Tadokoro, Satoshi (Hrsg.) Electroactive polymers for robotic applications: artificialmuscles and sensors Springer Verlag London Ldt. 2007 e-ISBN: 978-1-84628-372-7.

Lindinger, Manfred Künstliche Muskeln: Superkräfte dank Angelschnur in Frankfurter Allgemeine Zeitung 21.2.2014 Online: http://www.faz.net/aktuell/wissen/physik-mehr/kuenstliche-muskeln-superkraefte-dank-angelschnur-12810816.html Zugriff am: 03.Januar 2017.

Merlot, Julia Erfolg im Labor: Biologen züchten selbstheilenden Skelettmuskel in Spiegel-Online 2.4.2014 Online: http://www.spiegel.de/wissenschaft/medizin/maus-studie-selbst-heilender-skelettmuskel-gezuechtet-a-961769.html Zugriff am: 9.1.2017.

NDEAA (Hrsg.) Comparison of EAPs with Other Actuator Technologies in nasa.gov Online: http://ndeaa.jpl.nasa.gov/nasa-nde/lommas/eap/actuators-comp.pdf Zugriff am: 11.1.2017.

Peter, Jonas Elektroaktive Polymere(EAP): Eine Dokumentation über elektroaktive Polymere und dielektrische Elastomere 5.8.2013 Online: http://tiergarten-lernende.bfh.ch/admin/filesystem/vortraege/41.Elektroaktive_Polymere.pdf Zugriff am: 18.1.2017.

Robotshop Inc. (Hrsg.) Biorobotics - Build Your Own Robotic Air Muscle Actuator Online: http://www.robotshop.com/media/files/pdf/air-muscle-information-sheet-am-02l.pdf Zugriff am: 18.1.2017.

SMA/MEMS Research Group (Hrsg.) Shape Memory Alloys Online: https://webdocs.cs.ualberta.ca/~database/MEMS/sma_mems/sma.html Zugriff am: 18.1.2017.

Tondu, Bertrand; Lopez, Pierre The McKibben muscle and its use in actuating robot-arms showing similarities with human arm behaviour in Industrial Robot: An International Journal 1997 DOI: http://dx.doi.org/10.1108/01439919710192563.

Wikimedia Foundation Inc. (Hrsg.) Pneumatic artificial muscles in Wikipedia: The Free Encyclopedia Version vom 26.2.2016 Online: https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Pneumatic_artificial_muscles&oldid=707001523 Zugriff am: 18.1.2017.

Wikimedia Foundation Inc. (Hrsg.) Electroactive polymers in Wikipedia: The Free Encyclopedia Version vom 28.12.2016 Online: https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Electroactive_polymers&oldid=757021945 Zugriff am: 18.1.2017.

Yang D.; Verma M. S.; So Ju-Hee, Mosadegh B.; Keplinger C.; Lee B.; Khashai F.; Lossner E.; Suo Z.; Whitesides G. M. Buckling Pneumatic Linear Actuators Inspired by Muscle in Adv. Mater. Technol. 2016 DOI: https://dx.doi.org/10.1002/admt.201600055.

Abbildungsverzeichniss

Abb. 1: Pneumatischer Muskel in normaler Stellung Samuel Augustiny

Abb. 2: Pneumatischer Muskel kontrahiert Samuel Augustiny



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