Введение

Пневматические искусственные мышцы (ПАМ) – это устройства, сокращающиеся или растягивающиеся под воздействием сжатого воздуха, наполняющего пневматическую камеру. По аналогии с человеческими мышцами, ПАМ обычно используются попарно: один агонист и один антагонист. ПАМ были впервые разработаны (под названием McKibben Artificial Muscles) в 1950-х годах для применения в искусственных конечностях. Компания Bridgestone (Япония), производитель резиновых изделий, коммерциализировала эту идею в 1980-х годах под названием Rubbertuators. Сила сокращения ПАМ ограничена общей прочностью отдельных волокон в тканой оболочке. Величина хода ограничена плотностью плетения; слишком рыхлое плетение допускает большее выпячивание, что дополнительно скручивает отдельные волокна плетения. Одним из примеров сложной конфигурации пневматических мышц является Shadow Dexterous Hand, разработанная компанией Shadow Robot Company, которая также продает различные типы мышц для интеграции в другие проекты и системы.

Преимущества

ПАМ очень легкие, поскольку их основной элемент – тонкая мембрана. Это позволяет напрямую соединять их со структурой, которую они приводят в действие, что является преимуществом при замене дефектной мышцы. Если требуется заменить поврежденную мышцу, ее местоположение всегда будет известно, и замена станет проще. Это важная характеристика, так как мембрана соединена с жесткими точками крепления, что создает концентрацию напряжений и, следовательно, повышает вероятность разрыва мембраны. Другим преимуществом ПАМ является их естественная податливость: при приложении силы к ПАМ он деформируется, не увеличивая усилие при работе. Это важная особенность, когда ПАМ используется в качестве привода в роботе, взаимодействующем с человеком, или при выполнении деликатных операций. В ПАМ сила зависит не только от давления, но и от степени их надувания. Это одно из ключевых преимуществ: математическая модель, лежащая в основе работы ПАМ, является нелинейной системой, что делает их гораздо более простыми в точном управлении по сравнению с традиционными пневматическими цилиндрическими приводами. Зависимость между силой и удлинением в ПАМ аналогична зависимости длины и напряжения в биологических мышечных системах. Сжимаемость газа также является преимуществом, поскольку обеспечивает дополнительную податливость. Как и другие пневматические системы, приводы ПАМ обычно требуют электрических клапанов и компрессора. Рыхлая структура внешней волокнистой оболочки также обеспечивает гибкость ПАМ и позволяет им имитировать биологические системы. Если поверхностные волокна сильно повреждены и неравномерно распределены, образуя зазор, внутренняя камера может расшириться через этот зазор и лопнуть. Как и в случае с любыми пневматическими системами, важно не использовать их при наличии повреждений.

Гидравлическая работа

Хотя технология в основном работает на пневматическом (газовом) приводе, ничто не препятствует ее работе и на гидравлическом (жидкостном) приводе. Использование несжимаемой жидкости повышает жесткость системы и снижает податливость. В 2017 году такое устройство было представлено компаниями Bridgestone и Токийский технологический институт, заявленное соотношение прочности к весу которого в пять-десять раз выше, чем у традиционных электродвигателей и гидравлических цилиндров.