Tehislihas

Tehislihas (inglise keeles artificial muscle) on suurust või kuju muutev seade, mis imiteerib bioloogilise lihase liikumist. Tehislihased liigitatakse tehnoloogia järgi õhklihasteks ja elektriväljaga liigutatavateks lihasteks. Õhklihas on suruõhu mõjul kuju ja pikkust muutev seade. Õhklihased töötati välja 1950. aastatel tehisjäsemete tootmiseks. 1980. aastatel muutis Bridgestone'i kummivabrik selle tehnoloogia äriks ning lõi Rubbertuatorid. Õhklihase kokkutõmbumisjõu määrab selle membraanis olevate kootud kiudude tugevuste summa. Liikumisulatuse määrab koe tihedus. Mida hõredamalt on membraani kiud kootud, seda rohkem saab see paisuda ning lihas võimaldab suuremat liikumist. Õhklihased on tänu oma õhukesele membraanile väga kerged ja selle tõttu saab neid kinnitada otse lihase tööd reguleeriva seadme külge. Õhklihase membraan on kinnitatud jäigalt otspunktide külge, mille tõttu tekivad kinnituspunktides pinged ja võimalik membraani purunemine. Sellest tulenevalt on oluline, et õhklihased oleks süsteemis kergesti vahetatavad. Teine õhklihase hea omadus on järeleandev käitumine. Kui õhklihasele rakendada venitav jõud, siis annab lihas järgi ning ei koorma lihast reguleerivat seadet. Õhklihaste tekitatav jõud ei sõltu ainult õhu survest, vaid ka sellest kui täis on membraan puhutud. Seetõttu on see süsteem mittelineaarne ning õhklihaste täpne kontrollimine raskendatud. Kuna gaas on kokkusurutav, peavad pikki membraane kasutavate lihaste kontrollisüsteemid arvestama liikumiskontrollisignaali ja tegeliku lihase liikumise vahel toimuva ajalise viitega. Õhklihaste tööks on vaja elektrilisi ventiile ning kompressorit, mis muudab kogu süsteemi suureks ja raskeks. Elektroaktiivsed polümeerid (EAP) on materjalid, mis muudavad elektrivälja mõjul oma suurust või kuju. Need materjalid on kiiruselt ja tugevuselt mõnevõrra sarnased bioloogiliste lihaste omadustele. EAPsid on hakatud pidama paljulubavaks läbimurdetehnoloogiaks, mis võib edasise arengu korral hakata asendama praeguseid elektromehaanilisi seadmeid. Elektroaktiivsed polümeerid on elektromehaanilistest täiturmehanismidest ja õhklihastest mehaaniliselt lihtsamad, kergemad, väiksemõõdulisemad ning painduvamad. Lisaks sellele ei tekita nad töötamisel müra. Nende omaduste tõttu saaks EAPsid kasutades ehitada mehaanilisi seadmeid ilma hammasrattaid, ülekandeid ja laagreid kasutamata, mis vähendaks nende seadmete massi ja kulumisest tingitud tõrkeid. Elektroaktiivsete polümeeride teaduslik uurimine algas 1880. aastatel Wilhelm Röntgeni katsega, kus ta uuris elektrivoolu mõju kummiriba mehaanilistele omadustele. Kummiriba üks ots oli fikseeritud ning teise otsa oli kinnitatud raskus. Katse käigus laeti kummiriba elektriliselt täis ja tühjaks ning uuriti, kuidas laeng kummiriba pikkust mõjutab. M. P. Sacerdote lõi 1899. aastal Röntgeni katsetele toetudes teooria, mis tutvustab venituse muutumist olenevalt elektriväljast. Esimene piesoelektriline polümeer avastati 1925. aastal. See loodi karnaubavaha, kampoli ja taruvaigu segu alalisvoolu all jahutades. Jahtudes moodustus sellest segust polümeerne ja piesoelektriliste omadustega materjal. Järgmine suurim läbimurre EAPde alal toimus 1960. aastate lõpus. 1969. aastal näitas Kawai, et polüvinülideenfluoriid omab piesoelektrilisi omadusi. Selle tulemusena tärkas teadlastes soov luua teisi sarnaste omadustega polümeere. 1977. aastal avastas Hideki Shirakawa koos oma uurimisrühmaga esimesed elektrit juhtivad polümeerid. Shirakawa, Alan MacDiarmid ja Alan Heeger näitasid, et polüatsetüleen on elektrijuht ning joodiauruga saab polüatsetüleeni erijuhtivust suurendada kaheksa suurusjärgu võrra. Selline juhtivus on juba võrreldav metallide juhtivusega. 1980. aastate lõpuks oli juba tõestatud, et muudki polümeerid omavad piesoelektrilisi või juhtivuslikke omadusi. 1990. aastate alguses töötati välja ioonjuhtivad polümeer-metall komposiidid (IPMK), mille elektroaktiivsed omadused olid eelnevatest EAPdest oluliselt paremad. IPMKde suurimaks eeliseks oli suuruse või kuju muutuse saavutamine pingetel üks või kaks volti, mis oli eelmiste EAPdega võrreldes mitu korda madalam. Lisaks madalale tööpingele suutsid IMPKd taluda kuni 380% suuremat deformeerivat koormust. 1999. aastal korraldas üks robootika ja tehislihaste valdkonna rajajaid, Yoseph Bar-Cohen, käesurumisvõistluse EAP robotkäe ja inimese vahel. Selle võistluse raames ehitasid erinevad uurimisrühmad üle maailma EAP lihaseid kasutavaid käesurumisroboteid, mis pidid käesurumises inimest võitma. Esimene võistlus peeti 2005. aastal konverentsi „Electroactive Polymer Actuators and Devices“ raames. EAPd jagatakse kahte peamisse klassi: dielektrilised ja ioonjuhtivad polümeerid. Dielektrilised EAPd on materjalid, kus liikumine saavutatakse elektrostaatiliste jõudude abil kahe elektroodi vahel, mis puudutavad polümeeri kahte pinda. Dielektrilised elastomeerid suudavad taluda väga suuri jõude ning on olemuselt kondensaatorid. Elektrilaengust sõltuvalt polümeeri paksust ja pindala muutes saavad dielektrilised EAPd muuta oma mahtuvust. Seda tüüpi EAPd vajavad liikumiseks suurt pinget (sadu kuni tuhandeid volte), kuid tarbivad selle juures vähe voolu. Dielektriliste EAPde heaks omaduseks on ka see, et nad vaja mingi oleku säilitamiseks elektrivoolu. Dielektrilised EAP-d on näiteks dielektrilised elastomeerid, vedelkristall-elastomeerid, piesoelektrilised polümeerid ja elektrostriktiivsed polümeerid. Ferroelektrilised polümeerid on kristalsed polaarsed polümeerid, mis on ka ferroelektrilised. See tähendab, et nad omavad elektrilist polarisatsiooni, mida saab elektrivälja abil ümber pöörata. Ferroelektrilisi polümeere, nagu näiteks polüvinülideenfluoriid (PVDF), kasutatakse akustilistes andurites ja elektromehaanilistes aktuaatorites nende piesoelektrilise reageeringu tõttu ja kuumuse andurites püroelektrilise reageeringu tõttu.  Pikemalt artiklis Ioonne elektroaktiivne polümeer Ioonjuhtivates EAPdes toimub aktuatsioon polümeeri sees ioonide ümberpaigutumisel. Aktuatsiooni jaoks on vaja vaid mõnevoldist pinget, kuid ioonide liikumine tähendab seda, et aktuaatori mingis positsioonis hoidmine vajab energiat ja suuremat voolutugevust. Ioonjuhtivad EAP-d on näiteks juhtivad polümeerid, ioonjuhtivad polümeer-metall komposiidid (IPMK), ioonsed polümeergeelid ja süsiniknanotorud. Ioonjuhtivad polümeer-metall komposiidid koosnevad õhukesest ioonjuhtivast polümeerkilest (tavaliselt Nafion või Flemion), mille mõlemal pinnal on elektrit juhtiv metallikiht ehk elektrood. IPMK polümeeri struktuuris olevate anioonide kompenseerimiseks on membraani sees katioonid, mis on suutelised elektrivälja mõjul liikuma. IPMKd on aktiivsed aktuaatorid, mis tähendab, et nad deformeeruvad oluliselt juba väikese pinge korral ning omavad väikest impedantsi. Dielektrilised polümeerid suudavad hoida oma asendit ilma pideva vooluallikata. See omadus muudab dielektrilised polümeerid sobivamaks robootikas. Dielektrilised polümeerid omavad suurt mehaanilise energia tihedust ning töötavad ka õhu käes. Seda tüüpi polümeeride negatiivseks küljeks on kõrge aktiveerimispinge (>10 v/μm). Ioonjuhtivate polümeeride aktiveerimiseks on vaja vaid 1–2 voldist pinget, kuid nad töötavad ainult vees või niiskes keskkonnas. Olemuselt on nad sobivamad bioloogilisi liigutusi imiteerivatesse seadmetesse. EAP materjalide valmistamisprotsess võimaldab neid luua erineva kujuga ning see muudab nad väga mitmekülgseteks materjalideks. Üks võimalikke kasutusalasid on mikro-elektromehaanilistes süsteemides juhitavate aktuaatoritena. Kõige perspektiivikam ja praktilisem uurimissuund on tehislihaste väljatöötamine. Selle põhjuseks on EAPde võime matkida bioloogiliste lihaste tööd, olles samal ajal tugevad, vastupidavad ja vibratsiooni summutavad. EAPsid kasutades on ehitatud ka Braille kirja ehk pimedate kirja kuvar. See kasutab EAP aktuaatoreid maatriksi kujul. Elektroodide read ühel pool EAPd ja veerud teisel pool EAPd aktiveerivad korraga maatriksi elemendi, mis on ühendatud Braille kirja punktiga. EAP aktiveerimise tulemusel langeb punkt madalamale ning ei ole kirja lugejale tuntav. Kogu süsteemi juhib arvuti, mis aktiveerib EAPsid, mille tagajärjel tekivad spetsiaalsele plaadile kõrgemad ja madalamad punktid, mis omakorda kannavad edasi pimekirja informatsiooni. EAP materjale kasutades saab luua väikeseid pumpasid, mida saab kasutada näiteks ravimite doseerimiseks, mikrovedelik-seadmetes või muudes laiatarberakendustes. Selliste pumpade eeliseks oleks väike voolutarve, mis võimaldaks kasutada patarei- või akutoidet, madal müratase, suur süsteemi tootlikkus ning äärmiselt täpne läbilaskekontroll. Veel üks tehnoloogia, kus EAP aktuaatoreid kasutada saab, on optilised membraanid. Kuna EAP aktuaatorid saavad oma pikkust muuta väga väikeste sammudega mikromeetritest kuni sentimeetriteni, saab neid kasutada kuju parandamiseks või virvenduse summutamiseks. Lisaks sellele saaks EAP aktuaatoreid kasutada atmosfääri mõjutustest tingitud optiliste moonutuste korrigeerimiseks. Nende materjalide elektroaktiivsete omaduste tõttu loodetakse neist luua bioloogilisi olendeid imiteerivaid roboteid, rõhuandureid, ning süsteeme akustika valdkonnas. Siiani on elektroaktiivseid polümeere humanoidrobotites kasutatud vaid kergemate ülesannete täitjatena, näiteks näo- või käelihastena. Elektroaktiivsete polümeere on uuritud alles suhteliselt lühikest aega ning selle tõttu esineb antud tehnoloogias veel probleeme, millele pole lahendust leitud. EAP täiturite jõudlust ja pikaajalist stabiilsust tuleks parandada hermeetilise pinna loomisega. See lõpetaks vee eraldumise EAPst ning vähendaks keskkonnast tulenevate positiivsete ioonide vastumõju kui EAP töötab vee all. Kõrgetel pingetel töötavate EAPde jaoks oleks tarvis leida kuumusekindlaid EAP materjale, kuna kõrgetel pingetel töötamisel eralduv soojus lõhub EAP sisemist struktuuri. Samuti oleks tarvis arendada EAPsid eri paigutustes (kiud ja kiukimbud), mis avardaks lihase liigutamisvõimalusi. Pehme robootika "Bar-Cohen, Yoseph "Artificial Muscles using Electroactive Polymers (EAP): Capabilities, Challenges and Potential" (PDF) (inglise). Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 10. mai 2013. Vaadatud 22. oktoobril 2011. "Daerden, Frank, Lefeber, Dirk "Pneumatic Artificial Muscles: actuators for robotics and automation"" (PDF) (inglise). Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 17.04.2018. Vaadatud 31.10.2011. ""Elektroaktiivsed polümeerid "". www.tuit.ut.ee. Originaali arhiivikoopia seisuga 5.09.2009. Vaadatud 31.10.2011. "Electrochemistry Encyclopedia: Electroactive Polymers (EAP)" (inglise). Finkenstadt,Victoria L. (2005). "Natural polysaccharides as electroactive polymers". Appl Microbiol Biotechnol (inglise). 67 (6): 735–745. DOI:10.1007/s00253-005-1931-4. PMID 15724215. "Ferroelectric Properties of Vinylidene Fluoride Copolymers," by T. Furukawa, in Phase Transitions, Vol. 18, pp. 143–211 (1989). Nalwa, H. (1995). Ferroelectric Polymers (First ed.). New York: Marcel Dekker, INC. ISBN 0-8247-9468-0. Lovinger, A.J. (1983). "Ferroelectric polymers". Science (inglise). 220 (4602): 1115–1121. DOI:10.1126/science.220.4602.1115. PMID 17818472. Qu, L., Peng, Q., Dai, L., Spinks, G.M., Wallace, G.G., Baughman, R.H. (2008). "Carbon Nanotube Electroactive Polymer Materials: Opportunities and Challenges". MRS Bulletin. 33 (03): 215–224. DOI:10.1557/mrs2008.47.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link)ISSN 0883-7694 Park, I.S., Jung, K., Kim, D., Kim, S.M, Kim, K.J. (2008). "Physical Principles of Ionic Polymer–Metal Composites as Electroactive Actuators and Sensors". MRS Bulletin (inglise). 33 (03): 190–195. DOI:10.1557/mrs2008.44.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link)ISSN 0883-7694 Nemat-Nasser, S.; Thomas, C. (2001). "6". Yoseph Bar-Cohen (toim). Electroactive Polymer (EAP) Actuators as Articifial Muscles-Reality, Potential and Challenges. SPIE Press. Lk 139–191. Shahinpoor, M.; Y. Bar-Cohen, T. Xue, J.O. Simpson, J. Smith (5. märts 1996). "Ionic Polymer-Metal Composties (IPMC) As Biomimetic Sensors and Actuators" (PDF). SPIE. Lk 17. Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 17.04.2012. Vaadatud 31.10.2010.{{cite web}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Kim, K.J.; Tadokoro, S. (2007). Electroactive Polymers for Robotic Applications, Artificial Muscles and Sensors. London: Springer. ISBN 978-1-84628-371-0. Bar-Cohen, Yoseph. "Electroactive polymers for refreshable Braille displays" (inglise). SPIE. Vaadatud 31.10.2011. http://eap.jpl.nasa.gov/ NASA WorldWide Electroactive Polymer Actuators Webhub