שרירים פנאומטיים מלאכותיים

שרירים פנאומטיים מלאכותיים (באנגלית: Pneumatic artificial muscles או PAMs) הם מכשירים הניתנים לכיווץ ומתיחה המופעלים על ידי אוויר דחוס הממלא שלפוחית פנאומטית. בקירוב מופשט לשרירים אנושיים, שרירים פניאומטיים מלאכותיים לרוב מחולקים לזוגות: אחד אגוניסט ואחד אנטגוניסט. שרירים פנאומטיים מלאכותיים פותחו לראשונה בשנות ה-50 של המאה ה-20, תחת השם "השרירים המלאכותיים של מקיבן". הם שימשו לראשונה כגפיים מלאכותיות. התאגיד היפני ברידג'סטון לייצור גומי וצמיגים, היה הראשון שהפך את הרעיון לייצור מסחרי בשנות ה-80, תחת השם "אקטואטור-גומי" (Rubbertuators). הכוח המחזיר של השרירים הפנאומטיים מוגבל על ידי הסכום הכולל של כוחותיהם של כלל הסיבים הבודדים הנמצאים במעטפת הארוגה. האורך הכולל אליו ניתן למתוח את השריר מוגבל על ידי צפיפות התוויה של האריג במעטפת. אריגה רפויה מאוד תאפשר ניפוח גדול יותר, שמאפשר פיתול גדול יותר של הסיבים הבודדים במארג. דוגמה מפורסמת לתצורה מסובכת של שרירים פניאומטיים היא "יד הצל הזריזה" (Shadow Hand), שפותחה על ידי חברת רובוטי הצל (Shadow Robot Company). תצורה זו דימתה יד אנושית בעלת טווח תנועות נרחב ועשיר. התקן זה שולב במערכות ופרויקטים שונים של החברה ומחוצה לה. שרירים פנאומטיים הם קלי משקל בעקבות העובדה שהאלמנט המרכזי המרכיב אותם הוא ממברנה דקיקה. עקב כך מתאפשר חיבור ישיר של המכלולים הנ"ל למבנים אותם הם צריכים להפעיל. יתרון זה בא לידי ביטוי גם כאשר ניקח בחשבון את הצורך בהחלפה של שריר תקול. כשנוצר צורך להחליף שריר תקול, יהיה פשוט לדעת את מיקומו ובכך מלאכת החלפתו נעשית קלה יותר. צורך זה חשוב במיוחד בעקבות העובדה שהממברנות הדקות מחוברות לנקודות קצה קשיחות, היוצרות נקודת ריכוז מאמצים בה מוגבר הסיכוי לכשל של המכלול. התוויה הרפויה של השרירים הפאומטיים מאפשרת להם גם גמישות, המאפשרת לדמות בצורה טובה למדי מערכות ביולוגיות שונות. אך דבר זה גם עשוי לבוא בעוכריה של המערכת: אם המשטח הארוג נפגע ונוצרות בו חוסר-אחידויות או אפילו חורים, השלפוחית עשויה לדלוף דרך חורים אלה ולאבד את יכולת פעולתה. לכן, בדומה למערכות פניאומטיות באופן כללי, יש לשמור על אטימות המערכת, ולא להפעילה במקרה של דליפה. יתרון נוסף של השרירים הפנאומטיים הוא שהתנהגותם הרצויה טבועה במבנה שלהם: כאשר מופעל כוח על השריר, הוא נכנע לכוח זה, מבלי להגיב בכוח מחזיר הגדול יותר מהכוח הראשוני שהופעל עליו. תכונה זו חשובה מאוד כאשר השריר המלאכותי משתתף באינטראקצות מול בני אדם, או בביצוע פעולות עדינות אחרות. בשרירים פנאומטיים, הכוח תלוי גם במצב הניפוח של השריר, ולא רק בלחץ בו הם נמצאים. דבר זה מוביל ליתרון מרכזי נוסף: המודל המתמטי שמייצג את אופן פעולתם של השרירים הללו מיוצג מעשית באמצעות מערכת לא ליניארית. כך ניתן להגיע לרמות דיוק ושליטה גבוהות במיוחד, בניגוד לאקטואטורים פנאומטיים צילינדריים רגילים. הקשר בין הכוח וההתארכות בשרירים אלו משקף בצורה די טובה את הקשר בין המתיחה להתארכות שרירים במערכות ביולוגיות בטבע. דחיסות הגז הנמצא בתוך מערכת השריר הפנאומטי היא יתרון נוסף עקב העובדה שהיא מוסיפה להיענות המכנית של השריר. לעומת זאת, קיום הגז הדחיס מצריך מדחס אוויר וסולנואיד או שסתום חשמלי אחר, כפי שדרוש במערכות פנאומטיות נוספות. מערכת השרירים הזו מופעלת לרוב באמצעות פנאומטיקה (גז), אך אין מניעה של המרת המערכת למערכת הידראולית. קיימות למערכת הידראולית כמה חסרונות בולטים ביניהם העובדה כי שימוש בנוזל לא דחיס מגדיל את הנוקשות של המערכת ובכך מפחיתה את התאימות של המערכת למערכת ביולוגית יחסית עדינה יותר. חיסרון נוסף הוא שבמעבר למערכות הידראוליות נוצר סיכון של קורוזיה גבוהה יותר של החלקים, או אף מצב של קצרים במקרים של דליפה. לעומת זאת קיימים גם יתרונות להמרת המערכת להידראולית. תחילה, בוכנות הידראוליות לרוב יכולות לעמוד בלחצים יותר גדולים תוך שימוש בנפח נתון, לעומת בוכנות ומערכות פניאומטיות מקבילות. בנוסף, הפעלת הכוח של הבוכנה ההידראולית היא לרוב ליניארית. יתרון נוסף של מערכות הפועלות על נוזל לא דחיס לעומת גז דחיס הוא שלא מתבזבז כוח על דחיסת הגז במערכת, וכולו מועבר לפעולת הבוכנה. למרות זאת, דבר זה גורם כאמור לירידה בדיוק של המערכת ובעדינות הפעולות שביכולתה לבצע. חברת "רובוטי צללים" Shadow Robot Company שרירים פניאומטיים של החברה Shadow Robot Company מאמר: Pneumatic Artificial Muscles: actuators forrobotics and automation מאת Frank Daerden, Dirk Lefeber (באנגלית) רובוטיקה רכה- קבוצת OCTOR