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--- biomechanik:projekte:ws2016:wp1610 [27.02.2017 17:31] – [Einsatzgebiete] Alexy Georgos
+++ biomechanik:projekte:ws2016:wp1610 [28.11.2022 00:58] (aktuell) – Externe Bearbeitung 127.0.0.1
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 ===== Einleitung =====
-Künstliche Muskeln sind Hauptgegenstand von leistungsfähigen Robotern, Prothesen und Exoskeletten. Sie bestehen
+Künstliche Muskeln sind Hauptgegenstand von leistungsfähigen Robotern, [[biomechanik:projekte:ws2013:prothetik|Prothesen]] und [[biomechanik:projekte:ws2016:wp1613|Exoskeletten]]. Sie bestehen
 im Gegensatz zu dem [[biomechanik:muskel|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.
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 ===== 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)
+Künstliche Muskeln können in verschiedenen biomimetischen Bereichen eingesetzt werden: darunter Roboter, [[biomechanik:projekte:ws2013:prothetik|Prothesen]] und angetriebene [[biomechanik:projekte:ws2016:wp1613|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)
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 verfasst von Alexy Georgos
 ===== Beispiel:"In vivo - Muskeln"  =====
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   * "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. [Merlot]
+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)
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 verfasst von Johanna Ochmann
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 Künstliche Muskeln können nach Betriebsart in drei Kategorien aufgeteilt werden
-  * Pneumatische Muskeln
+  * Pneumatische Muskeln **PAM**
-  * Elektroaktive Polymere
+  * Elektroaktive Polymere **EAP**
-  * Formgedächtnis-Legierungen
+  * 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.\\
+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.\\
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-Die pneumatischen Muskeln sind leicht, einfach zu produzieren und haben ein Längen-Kraft-Diagramm, das dem des [[biomechanik:muskel|biologischen Muskels]] sehr ähnlich ist. Der Hauptnachteil ist eine ständig erforderliche Luftdruckquelle z. B. Kompressor.\\
+Die pneumatischen Muskeln sind __leicht__, __einfach zu produzieren__ und besitzen ein [[biomechanik:muskel:mus03|Längen-Kraft-Diagramm]], das dem des [[biomechanik:muskel|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.
+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]
+Dies kann negative Auswirkungen auf die Elastizität und das Gewicht haben. (Daerden et al) (Robotshop Inc.) (Wikimedia Foundation Inc. - Pneumatic artificial muscles)
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-{{ youtube>large:dKHd2Wm_YyQ | Robot Hand Screw in the lightbulb }}
+{{ youtube>dKHd2Wm_YyQ?large | Robot Hand Screw in the lightbulb }}
 === 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]\\
+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)\\
-{{ youtube>large:m5sMOUU1uKs | Electroactive Polymers }}
+{{ youtube>m5sMOUU1uKs?large | 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]
+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)
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-{{ youtube>large:-K57cbOhA5g|Nitinol - Metallic Muscles with Shape Memory. }}
+{{ youtube>-K57cbOhA5g?large |Nitinol - Metallic Muscles with Shape Memory. }}
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 === Vergleich zu konventionellen Antrieben ===
-Die künstlichen Muskeln bieten im Vergleich zu konventionellen Antrieben wie Elektromotoren oder Hydraulik folgende Vorteile:
+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)
+  * sie sind __leicht__ und haben eine __hohe Leistungsdichte__ (Verhältnis von Leistung zur Masse) und einen __hohen Wirkungsgrad__ (Verhältnis der Nutzenergie zur zugeführten Energie. Siehe [[biomechanik:dynamik:dyn08|Energieumwandlung]])
-  * sie besitzen eine inhärente Elastizität, die zur Schwingungsminimierung und zur Minimierung der Kraftspitzen beiträgt
+  * 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]
+  * 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)
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 verfasst von Alexy Georgos
 ===== Ausblick =====
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 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.
-[Lidinger]
+(vgl. Lidinger)
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 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.
+Man kann aber bisher schon sagen, dass die Grundprinzipien der künstlichen Muskeln pneumatische, elektroaktive oder Formgedächtnisantriebe sind. Einsatzgebiete sind beispielsweise Roboter, [[biomechanik:projekte:ws2016:wp1613|Exoskelette]] oder [[biomechanik:projekte:ws2013:prothetik|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]
+Abschliessende eine Tabelle, in der die Relevanten Eigenschaften von Künstlichen und natürlichen Muskeln aufgelistet sind: (NDEAA) (Yang)
 ^    ^  Dehnung [%]  ^  Max. Druck [MPa]  ^  Max. Effizienz [%]  ^  Geschwindikeit  |
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 ===== Fragen =====
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-  - Was gibt es für Arten von Künstlichen Muskeln?
+  - Welche Arten von Künstlichen Muskeln gibt es?
 <spoiler | Antwort>
 Künstliche Muskeln können nach Betriebsart in drei Kategorien aufgeteilt werden