Otot buatan

Otot buatan adalah aktuator, bahan atau perangkat yang meniru otot alami dan dapat berkontraksi, memanjang, atau berputar dalam satu komponen karena adanya rangsangan eksternal (seperti tegangan, arus, tekanan atau suhu). Tiga respons aktuasi dasar: kontraksi, ekspansi, dan rotasi dapat digabungkan bersama dalam satu komponen tunggal untuk menghasilkan jenis gerakan lainnya (misalnya menekuk, dengan memendekkan salah satu sisi material sambil memanjangkan yang lain sisi). Motor konvensional dan aktuator linier atau putar pneumatik tidak memenuhi syarat sebagai otot buatan, karena ada lebih dari satu komponen yang terlibat dalam aktuasi. Karena fleksibilitas tinggi, fleksibilitas dan rasio tenaga-ke-berat dibandingkan dengan aktuator kaku tradisional, otot buatan memiliki potensi untuk menjadi teknologi yang muncul sangat mengganggu. Meskipun saat ini digunakan secara terbatas, teknologi ini mungkin memiliki aplikasi masa depan yang luas di industri, kedokteran, robotika, dan banyak bidang lainnya.

Perbandingan dengan otot alami

Sementara tidak ada teori umum yang memungkinkan aktuator untuk dibandingkan, ada "kriteria daya" untuk teknologi otot buatan yang memungkinkan untuk spesifikasi teknologi aktuator baru dibandingkan dengan sifat otot alami. Singkatnya, kriteria tersebut meliputi tegangan, regangan, laju regangan, umur siklus, dan modulus elastis. Beberapa penulis telah mempertimbangkan kriteria lain (Huber et al., 1997), seperti densitas aktuator dan resolusi regangan. Pada 2014, serat otot buatan yang paling kuat yang ada dapat menawarkan peningkatan kekuatan seratus kali lipat dibandingkan panjang serat otot alami yang setara.
Para peneliti mengukur kecepatan, kepadatan energi, kekuatan, dan efisiensi otot buatan; tidak ada satu jenis otot buatan yang terbaik dalam semua bidang sekaligus.

Jenis

Otot buatan dapat dibagi menjadi tiga kelompok utama berdasarkan mekanisme aktuasinya.

Aktuasi medan listrik

Polimer elektroaktif (EAP) adalah polimer yang dapat digerakkan melalui aplikasi medan listrik. Saat ini, EAP yang paling menonjol termasuk polimer piezoelektrik, aktuator dielektrik (DEA), elastomer graft elektrostriktif, elastomer kristal cair (LCE) dan polimer feroelektrik. Meskipun EAP ini dapat dibuat untuk menekuk, kapasitasnya yang rendah untuk gerakan torsi saat ini membatasi kegunaannya sebagai otot buatan. Selain itu, tanpa bahan standar yang diterima untuk membuat perangkat EAP, komersialisasi tetap tidak praktis. Namun, kemajuan signifikan telah dibuat dalam teknologi EAP sejak 1990-an.

Aktuasi berbasis ion

EAP ionik adalah polimer yang dapat digerakkan melalui difusi ion dalam larutan elektrolit (selain aplikasi medan listrik). Contoh terkini dari polimer elektroaktif ionik termasuk gel polielektroda, komposit logam polimer ionomer (IPMC), polimer konduktif dan cairan elektrorheologis (ERF). Pada tahun 2011, ditunjukkan bahwa tabung nano karbon bengkok juga dapat digerakkan dengan menerapkan medan listrik.

Aktuasi tenaga listrik

Otot bengkok dan koil polimer (TCP) juga dikenal sebagai polimer superkoil (SCP) adalah polimer melingkar yang dapat digerakkan oleh tenaga listrik. Otot TCP terlihat seperti pegas heliks. Otot TCP biasanya dibuat dari Nylon yang dilapisi perak. Otot TCP juga dapat dibuat dari mantel konduktansi listrik lainnya seperti emas. Otot TCP harus diberi beban untuk menjaga agar otot tetap panjang. Energi listrik berubah menjadi energi termal karena hambatan listrik, yang juga dikenal sebagai pemanasan Joule, pemanasan Ohmic, dan pemanasan resistif. Ketika suhu otot TCP meningkat dengan pemanasan Joule, polimer berkontraksi dan menyebabkan kontraksi otot.

Aktuasi pneumatik

Otot buatan pneumatik (PAM) beroperasi dengan mengisi kantung pneumatik dengan udara bertekanan. Setelah menerapkan tekanan gas ke kandung kemih, ekspansi volume isotropik terjadi tetapi dibatasi oleh kawat dikepang yang mengelilingi kantung, mengubah ekspansi volume menjadi kontraksi linear sepanjang sumbu aktuator. PAM dapat diklasifikasikan berdasarkan operasi dan desainnya; yaitu, PAM memiliki fitur operasi pneumatik atau hidrolik, operasi overpressure atau underpressure, membran terpilin/terjaring atau tertanam dan membran peregangan atau menyusun ulang membran. Di antara PAM yang paling umum digunakan saat ini adalah otot yang dipilin secara silinder yang dikenal sebagai Otot McKibben, yang pertama kali dikembangkan oleh JL McKibben pada 1950-an.

Senar pancing

Otot-otot buatan yang dibuat dari tali pancing biasa dan benang jahit dapat mengangkat 100 kali lebih berat dan menghasilkan 100 kali lebih banyak kekuatan daripada otot manusia dengan panjang dan berat yang sama. Otot buatan berdasarkan pancing sudah lebih murah dibandingkan dengan bentuk-ingatan atau benang tabung karbon nano, tetapi saat ini memiliki efisiensi yang relatif buruk. Makromolekul individu diselaraskan dengan serat dalam serat polimer yang tersedia secara komersial. Dengan melilitkannya menjadi gulungan, peneliti membuat otot buatan yang berkontraksi dengan kecepatan yang mirip dengan otot manusia.
Serat polimer (tidak terpilin), seperti tali pancing polyethelene atau benang jahit nilon, tidak seperti kebanyakan bahan, lebih pendek saat dipanaskan — hingga sekitar 4% untuk kenaikan suhu 250 K. Dengan memuntir serat dan melilitkan serat terpelintir ke dalam kumparan, pemanasan menyebabkan kumparan mengencang dan memendek hingga 49%. Para peneliti menemukan cara lain untuk menggulung koil sehingga pemanasan menyebabkan koil memanjang hingga 69%.
Salah satu aplikasi otot buatan yang diaktifkan secara termal adalah membuka dan menutup jendela secara otomatis, merespons suhu tanpa menggunakan daya apa pun.
Otot-otot buatan kecil yang terdiri dari tabung nano karbon bengkok yang diisi parafin 200 kali lebih kuat dari otot manusia.

Paduan logam pengingat-bentuk

Paduan logam pengingat-bentuk (SMA), elastomer kristal cair, dan paduan logam yang dapat dideformasi dan kemudian dikembalikan ke bentuk aslinya ketika terkena panas, dapat berfungsi sebagai otot buatan. Otot buatan berbasis aktuator termal menawarkan ketahanan panas, ketahanan benturan, kepadatan rendah, kekuatan kelelahan tinggi, dan pembentukan gaya besar selama perubahan bentuk. Pada tahun 2012, sebuah kelas baru dari otot buatan yang diaktivasi dengan medan listrik dan bebas elektrolit yang disebut "aktuator benang bengkok" didemonstrasikan, berdasarkan ekspansi termal dari bahan sekunder dalam struktur bengkok konduktif otot. Juga telah ditunjukkan bahwa pita vanadium dioksida yang berputar dapat berputar dan terpuntir pada kecepatan puntir puncak 200.000 rpm.