ИСКУССТВЕННАЯ МЫШЦА, СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И КОМПЕНСИРУЮЩИЙ КОСТЮМ
ARTIFICIAL MUSCLE, METHOD OF ITS MANUFACTURING AND COMPENSATING SUIT

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к вспомогательному устройству, которое может быть использовано в медицине, космонавтике, подводных работах и военной промышленности, в частности к искусственным мышцам, позволяющим создать компенсирующие, защитные костюмы и щиты, формообразующие устройства, к способу изготовления искусственной мышцы и компенсирующему костюму, включающему искусственную мышцу.
Уровень техники
В уровне техники известен патент на изобретение RU №2372056 (приоритет - 04.02.2008; опубл. 10.11.2009) под названием "Искусственная мышца (Варианты)". Изобретение относится к управляемым приводам для преобразования электрической энергии в механическую и может быть использовано в машиностроении, робототехнике, медицине для создания протезов конечностей. Искусственная мышца содержит камеры с эластичными стенками, заполненные с возможностью формирования давления на стенки веществом с ферромагнитными свойствами и имеющие электропроводные обмотки.
Согласно первому варианту камеры с эластичными стенками выполнены торообразной формы, заключены в полую эластичную оболочку, имеющую форму удлиненного эллипсоида, и расположены вдоль нее.
Согласно второму варианту камеры с эластичными стенками выполнены торообразной формы и заключены в по меньшей мере две эластичные оболочки, заключенные одна в другую с зазором между ними и имеющие форму удлиненных эллипсоидов, при этом в каждой из оболочек камеры расположены вдоль них. Использование изобретения позволяет повысить надежность, снизить энергоемкость, расширить эксплуатационные возможности устройства, уменьшить его размеры и массу.
Также известна заявка №97107496 (приоритет - 05.05.1997; опубл. 27.04.1999) на изобретение под названием "Искусственная мышца". Искусственная мышца служит силовым приводом и имеет возможность сокращаться по длине по заданию и отличается тем, что оболочку мышцы собирают из чередующихся продольных полос нерастяжимых лент с упругими лентами, растяжимыми во всех направлениях, все полосы крепятся по концам к двум или нескольким крепежным деталям и образуют герметичный воздушный мешок, который исполняют двустенным и перекрывают растяжимые полосы внутреннего мешка нерастяжимыми верхнего для предотвращения появления пузырей при нагнетании воздуха во внутренний мешок, вдоль одной из стенок в мешок вставляют клапан впуска воздуха, представляющий из себя короб-ресивер с тремя гладкими стенками и верхом, с четвертой стороны подводят трубопровод с клапаном для нагнетания воздуха, дно клапана делают решетчатым, при передвигании одной решетки относительно другой, наложенной на первую, открывают и закрывают щели для впуска воздуха в полость мышцы, выпускной клапан устраивают аналогично, оборудуют выпускной клапан также решетками выпуска воздуха из мышцы в ресивер и клапаном для выпуска воздуха из ресивера в атмосферу.
К недостаткам данной конструкции можно отнести пластинчатую структуру клапана, изготавливаемого непосредственно из мягкой ткани, а не из твердого пластика, что делает затруднительным управление работой устройства. Также недостатком является отсутствие постоянной обратной связи с конечностью, что дает заявляемому изобретению преимущество на экономии в конструкции контроллера, т.к. можно обойтись без отдельного тракта обратной связи, используя одновременно один подвижный элемент в качестве рычага управления нагнетанием, стравливанием и в качестве постоянно действующей обратной связи с конечностью.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение представляет собой искусственную мышцу, заполненную текучей средой посредством накачивания. Текучая среда под воздействием внутреннего давления, ограниченная нерастяжимыми герметичными стенками, приобретает определенную форму, позволяющую перемещать подвижные части механизмов, создавать объемные пространственные конструкции, выступать как упругое тело при столкновении с проникающими объектами. Искусственная мышца способна нагнетать текучую среду, на этапе ее спуска, в емкость-накопитель.
Искусственная мышца состоит из группы слоев полотна, герметично соединенных в поперечно-параллельные части, заполненные текучей средой, связанные друг с другом посредством каналов, которые могут быть выполнены с возможностью прохождения по ним текучей среды, группы крепежных элементов, установленных по краям частей, и штуцера, который может быть установлен с возможностью заполнения текучей средой частей и спуска текучей среды из указанных частей.
Крепежный элемент может представлять собой люверсу.
По меньшей мере один слой полотна мышцы может быть выполнен из ткани.
Слои полотна могут быть соединены друг с другом посредством прошивания нитками или проклеивания клеем.
Группы слоев материала герметически соединены в поперечно-параллельные части, которые наполняют текучей средой. Части сообщаются друг с другом каналами для прохода текучей среды, имеют участок крепления к подвижным секциям, представляющим собой рычаги продолговатой или округлой формы, имеющие центр вращения, место крепления секции к мышце, расположенное между центром вращения и рабочим концом, оканчивающимся рабочим шарниром (или поверхностью передачи усилия), так, что одна, две или более секций-рычагов связываются в единую подвижную систему, приводимую в движение мышцами, находящимися на радиусе (одной прямой) или на криволинейной поверхности, и участок установки штуцера посредством его вклеивания. Штуцер предназначен для заполнения и выпуска текучей среды.
Согласно варианту осуществления изобретения заявляется способ изготовления искусственной мышцы, который включает использование полотна, содержащего группу слоев, прошивание полотна вдоль по меньшей мере двумя прямыми швами и поперек по меньшей мере двумя параллельными швами, разрезание полотна по определенным заданным областям на группу частей, установку указанных частей вертикально, закрепление штуцера, посредством которого осуществляют заполнение указанных частей герметизирующим составом, равномерное распределение герметизирующего состава по всей длине части с последующим извлечением его излишков, предварительную сушку частей, подачу под давлением текучей среды, которую осуществляют через штуцер для разделения слоев полотна, и окончательную сушку частей под давлением, меньшим в сравнении с давлением, используемым при предварительной сушке.
При установке частей вертикально можно осуществлять установку крепежных элементов.
Установку крепежных элементов можно осуществлять по краям частей.
В качестве крепежных элементов можно использовать люверсы.
Согласно варианту осуществления изобретения предварительную сушку осуществляют в сушильной камере.
По крайней мере в одном варианте осуществления изобретения используется компенсирующий костюм, включающий набор внешних подвижных частей, по меньшей мере одну емкость-накопитель текучей среды, по меньшей мере два клапана, по меньшей мере один толкатель, выполненный с возможностью управления указанными клапанами, по меньшей мере один штуцер и по меньшей мере одну искусственную мышцу, описанную выше, при этом указанная по меньшей мере одна мышца связана с по меньшей мере одной подвижной частью.
Внешняя подвижная часть костюма может представлять собой внешний скелет из подвижных рычагов, повторяющий функционально и по форме отдельную часть человеческого тела.
Кроме того, внешний скелет из подвижных рычагов может быть выполнен из материала, выбранного из группы, включающей пластик, кожу, углепластик, металл и ткань.
Согласно варианту осуществления изобретения один клапан является запирающим и выполнен с возможностью нагнетания текучей среды в мышцу, а второй клапан является выходным и выполнен с возможностью спуска текучей среды из мышцы.
Емкость-накопитель костюма может представлять собой баллон.
Согласно варианту осуществления изобретение состоит из подвижных секций, связанных друг с другом посредством шарниров и приводимых в относительное сближение посредством сокращения мышцы, соединяющей подвижные секции.
Работа заключается в перемещении крайних концов искусственной мышцы под действием нагнетаемой текучей среды, начиная от нулевого количества текучей среды до максимального. Текучая среда нагнетается под управлением механического контроллера, состоящего из чувствительного толкателя, касающегося человеческого тела, по меньшей мере двух клапанов, первого - запирающего, выполненного с возможностью нагнетания текучей среды, и второго клапана - выходного, выполненного с возможностью спуска текучей среды, при этом толкатель является постоянно действующей обратной связью с конечностью. В рабочем цикле предусмотрено накопление спускаемой текучей среды для использования ее повторно для дыхания или работы под более низким давлением.
Текучая среда, как указано выше, подается по меньшей мере двумя клапанами, управляемыми чувствительным толкателем, закрепляемым на одном из рычагов, при этом толкатель контактирует с телом человека, и в результате его перемещения относительно рычага и системы клапанов изменяется величина проходного отверстия клапанов, пропускающих текучую среду.
Емкостью-накопителем текучей среды служит баллон, находящийся под давлением, имеющий компрессор для возобновления подачи и рециркуляции текучей среды.
Искусственная мышца состоит из герметично закрытого многослойного полотна, не пропускающего жидкость или газ под расчетным давлением, плоской конструкции (без давления), прошитой нитями или проклеенной для создания общего контура и поперечных полос с оставленными по концам шовных соединяющих линий, пропусками до краев внешнего контура, представляющими собой каналы для пропускания текучей среды. На одном конце искусственной мышцы имеется участок, на котором крепится штуцер посредством вклеивания. С обеих сторон искусственной мышцы установлены крепежные элементы в виде люверсов или других крепежных элементов для обеспечения крепления и передачи усилия на перемещаемые части рычагов, механизмов или крепления в случае использования искусственной мышцы для формообразования.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 представлен вид искусственной мышцы.
На Фиг.2 представлен график зависимости сокращения длины мышцы от времени ее наполнения текучей средой.
На Фиг.3 представлена кинетическая схема работы клапанов искусственной мышцы.
На Фиг.4 представлен вариант расположения искусственной мышцы, в качестве детали костюма.
На Фиг.5 представлен другой вариант расположения искусственной мышцы, в качестве детали костюма.
Осуществление изобретения
Ниже предлагается вариант осуществления изобретения на примере компенсирующего (вспомогательного) костюма, основным элементом которого является искусственная мышца. Компенсирующий костюм состоит из внешних скелетных подвижных рычагов, искусственных мышц, емкостей-накопителей текучей среды и контроллеров. Непосредственно сам костюм состоит из искусственных мышц, вариант осуществления которых представлен на Фиг.1, и набора скелетных подвижных рычагов, повторяющих функционально и по внешней форме отдельные части человеческого тела, к которым крепятся искусственные мышцы. Скелетные подвижные рычаги для костюма могут быть выполнены из любого твердого конструкционного материала, в зависимости от необходимого места расположения (пластик, кожа, углепластик, ткань и т.д.).
Как видно из Фиг.1, мышца поделена на соединяющиеся каналы 1, наполняемые текучей средой. Каналы 1 отделены друг от друга горизонтально-параллельными швами 2. Мышца имеет также два вертикальных шва 3. Имеется участок установки штуцера 4 посредством его вклеивания. Штуцер 4 предназначен для заполнения и спуска текучей среды. Из источника текучей среды (не показан) текучая среда в направлении 5 ее подачи поступает непосредственно в саму мышцу. При наполнении мышцы текучей средой она расширяется, но только в ширину, а ее длина в направлении 6 совершения механической работы уменьшается на 1/3.
На Фиг.2 представлена зависимость сокращения длины мышцы (L) от объема (V) ее наполнения текучей средой. Указанная зависимость представлена тремя стадиями: a - первая (начальная) стадия наполнения мышцы текучей средой, b - вторая (промежуточная) стадия наполнения мышцы и с - третья (окончательная) стадия заполнения мышцы текучей средой. В отличие от поршневого механизма мышца меньше весит, более компактна и более износостойка, не нуждается в смазке.
Принцип работы искусственных мышц основан на сокращении, как у настоящих мышц. На Фиг.3 представлена кинетическая схема работы искусственной мышцы.
Положение I. Чтобы согнуть конечность пользователь перемещает толкатель 8 в положение I. В это время клапан 11 закрывается, а клапан 10 - открывается, направляя текучую среду из емкости-накопителя, которая в конкретном варианте осуществления изобретения представляет собой баллон 9, в искусственную мышцу 7. Тройник 12 объединяет каналы впускной, выпускной и канал к клапану мышцы в одну полость и расположен между клапанами 10 и 11 и выходным штуцером мышцы.
Положение II. Чтобы разогнуть конечность пользователь перемещает толкатель 8 в положение II. В это время клапан 11 открывается, а клапан 10 - закрывается, выпуская текучую среду.
Положение III. Режим ожидания, при котором клапаны 10 и 11 закрыты, расход текучей среды отсутствует. Толкатель 8 имеет, в зависимости от назначения, абсолютно разные схемы строения и основы функционирования, от механических до компьютерных.
Примеры расположения искусственной мышцы представлены на Фиг.4 и Фиг.5. На Фиг.4, позицией 7 обозначена искусственная мышца, заменяющая бицепс, а позицией 13 обозначен фрагмент рукава костюма, за который мышца 7 тянет руку 14. На Фиг.5 позицией 15 обозначена область брюшного отдела внешнего скелета, состоящая из двух лент мышц и отвечающая за наклоны и разгибания тела.
Также к стандартной комплектации могут добавляться дополнительные устройства, такие как небольшие протезы, подходящие для системы костюма, для хирургически удаленных конечностей. В условиях условно замкнутого цикла дополнительно может использоваться замкнутая система газообмена и система обратного преобразования движений человека таким образом, чтобы газ, сжимаясь от движений человека, поступал в отдельный баллон с меньшим давлением или использовался для дыхания. Для облегчения ремонта костюм имеет модульное строение. Детали легко отсоединяются, и при неполадке старые утилизируются, а новые прикрепляются на место предыдущих. Но самое главное удобство костюма в том, что его можно спрятать под одежду, он является очень компактным и его очень трудно заметить невооруженным глазом.
Способ изготовления заявляемой искусственной мышцы.
На подвижное полотно стола натягивается лента из ткани, сложенная вдвое, в виде полотна, которая в дальнейшем будет служить основой искусственной мышцы. Полотно сначала прошивают по вертикали двумя прямыми, а затем горизонтально-параллельными линиями - швами. Далее ленту (полотно) разрезают по определенным заданным областям. Затем осуществляют герметизацию изнутри следующим образом: каждую мышцу располагают вертикально, вклеивают штуцер, по краям устанавливают крепежные элементы (люверсы) и заливают внутрь герметизирующий состав. После его равномерно разравнивают по всей длине полотна и извлекают излишки путем выкачивания. Затем полученные заготовки отправляют в сушильную камеру для предварительной сушки. После предварительной сушки подают текучую среду под небольшим давлением для разделения слоев полотна искусственной мышцы. Далее проводится окончательная сушка под давлением, меньшим по сравнению с давлением, используемым при предварительной сушке.
Согласно варианту осуществления изобретения искусственная мышца может использоваться в военной промышленности в качестве легкой, самовосстанавливающейся амуниции, а именно:
- трехслойный бронежилет из кевларовых нитей при попадании снаряда или осколка пропускает его первым слоем, забирая часть кинетической энергии, отбрасывает вторым, а нити первого, на пораженном месте, затягиваются, не оставляя отверстий. Надувной бронежилет легче и портативней кевларовых жестких аналогов;
- подобная бронежилету, по схеме действия, броне-палатка накидывается на бронемашину или танк, наполняется выхлопными газами самой машины и принимает форму "камня". В качестве утолщенной оболочки, имеющей вогнутую форму изнутри и выпуклую снаружи, мышца выполняется в виде большого камня или холма, накрывая военную технику или штаб сверху, таким образом, защищая ее от обзора сверху, а многослойная кевларовая конструкция может отражать осколки и тяжелые мины, производящие взрыв при контакте, т.к. не является жесткой и не пропускает осколки. Наполняться также укрытие будет выхлопными газами техники или бензогенератора;
- многослойная армейская палатка согреет бойца и может наполняться выдыхаемым воздухом;
- легкий комплект надуваемой подрывом пиропатронов одежды спасет воина в минуту падения или стресса, или при кулачном бое или ножевой атаке.
Согласно другому варианту осуществления изобретения заявляемая искусственная мышца может использоваться в космонавтике. Так, например, для работы в невесомости в скафандр встраивается дополнительный слой тонкой специальной ткани, позволяющий перемещать подвижные органы скафандра с меньшим усилием, прилагаемым космонавтом, т.е. увеличивает силу двигательных функций космонавта или может использоваться в качестве тренажера, или обратной связи, обеспечивающей встречную нагрузку, имитируя земное притяжение для выполнения особо точных и плавных движений космонавтами в открытом космосе. Усовершенствовав простой скафандр системой компенсации, космонавт получит возможность перемещать габаритные грузы. Также данная система уменьшит теплопотери космонавта за счет низкой теплопроводности текучей среды, т.е. будет работать как термостат. Может как охладить, так и согреть космонавта.
Помимо костюма принцип изменения формы путем раздувания может использоваться в раздувающихся мачтах для солнечных парусов у спутников и космических кораблей.
Наравне с космическим скафандром подводный костюм увеличит силу пловца, заполняя мышцы не газами, а водой.
Кроме того, заявляемая искусственная мышца может быть использована в авиапромышленности.
Изменение формы обтекаемых поверхностей, а следовательно, аэродинамики аппарата точно так же может изменяться расширением мешков, расположенных на корпусе.
На фюзеляж может крепится большая подушка, напоминающая надувной батут, который действует, смягчая возможное падение.
Также согласно варианту осуществления изобретения оно может использоваться в медицине.
Есть инвалиды, не потерявшие конечности, а имеющие дефектные, неработоспособные конечности. Для таких людей протезов не существует, пока конечность находится на месте. А внешний "скелет", снабженный искусственными мышцами, позволит полностью или частично заменить или компенсировать двигательные функции конечностей. А также костюм может потребоваться прооперированным людям, которые без посторонней помощи не могут произвести то или иное движение в постоперационный период. В данном случае он может компенсировать движения тела в направлении, противоположном движению болезненного органа.