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.
Õhklihased.
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 nn "rubbertuator"'id.
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.
Head omadused.
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.
Puudused.
Õhklihaste tekitatav jõud ei sõltu ainult õhu survest, vaid ka sellest kui täis on membraan puhutud. Seetõttu on see süsteem mittelineaarne ning õhklihaste täpne juhtimine on 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).
Elektroaktiivsed polümeerid (EAP) on materjalid, mis muudavad elektrivälja mõjul oma suurust või kuju. Need materjalid on kiiruselt ja tugevuselt mõnevõrra sarnased bioloogiliste lihaste omadustele. EAP-sid on hakatud pidama paljulubavaks läbimurdetehnoloogiaks, mis võib edasise arengu korral hakata asendama praeguseid elektromehaanilisi seadmeid.
Head omadused.
Elektroaktiivsed polümeerid on elektromehaanilistest täiturmehhanismidest ja õhklihastest mehaaniliselt lihtsamad, kergemad, mõõtmetelt väiksemad ning painduvamad. Lisaks sellele ei tekita nad töötamisel müra. Nende omaduste tõttu saaks EAP-sid kasutades ehitada mehaanilisi seadmeid ilma hammasrattaid, ülekandeid ja laagreid kasutamata, mis vähendaks nende seadmete massi ja kulumisest tingitud tõrkeid.
EAP-de ajalugu.
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 suurem läbimurre EAP-de 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-metallkomposiidid (IPMK), mille elektroaktiivsed omadused olid varasemate EAP-de omadest oluliselt paremad. IPMK-de suurimaks eeliseks oli suuruse või kuju muutuse saavutamine pingetel üks või kaks volti, mis oli eelmiste EAP-dega võrreldes mitu korda madalam. Lisaks madalale tööpingele talusid IMPK-d 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.
Elektroaktiivsete polümeeride liigitus.
EAP-d jagatakse kahte peamisse klassi: dielektrilised ja ioonjuhtivad polümeerid.
Dielektrilised EAP-d.
Dielektrilised EAP-d on materjalid, kus liikumine saavutatakse elektrostaatiliste jõudude abil kahe elektroodi vahel, mis puudutavad polümeeri kahte pinda. Dielektrilised elastomeerid taluvad väga suuri jõude ning on olemuselt kondensaatorid. Elektrilaengust sõltuvalt polümeeri paksust ja pindala muutes saavad dielektrilised EAP-d muuta oma mahtuvust. Seda tüüpi EAP-d vajavad liikumiseks suurt pinget (sadu kuni tuhandeid volte), kuid tarbivad selle juures vähe voolu. Dielektriliste EAP-de 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.
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.
Ioonjuhtivad EAP-d.
Ioonjuhtivates EAP-des 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.
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. IPMK-d on aktiivsed aktuaatorid, mis tähendab, et nad deformeeruvad oluliselt juba väikese pinge korral ning omavad väikest impedantsi.
Dielektriliste ja ioonjuhtivate polümeeride võrdlus.
Dielektrilised polümeerid saavad oma asendit hoida 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 (&gt;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 kasutusalad.
EAP materjalide valmistamisprotsess võimaldab neid luua erineva kujuga, mis tähendab, et tegu on väga mitmekülgse materjaliga. Üks võimalikke kasutusalasid on mikroelektromehaanilistes süsteemides juhitavate aktuaatoritena. Kõige perspektiivikam ja praktilisem uurimissuund on tehislihaste väljatöötamine. Selle põhjuseks on EAP-de võime matkida bioloogiliste lihaste tööd, olles samal ajal tugevad, vastupidavad ja vibratsiooni summutavad.
EAP-sid kasutades on ehitatud ka Braille kirja ehk pimedate kirja kuvar. See kasutab EAP aktuaatoreid maatriksi kujul. Elektroodide read ühel pool EAP-d ja veerud teisel pool EAP-d 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 EAP-sid, 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 ülitäpne 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.
Tulevikusuunad.
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 EAP-st ning vähendaks keskkonnast tulenevate positiivsete ioonide vastumõju kui EAP töötab vee all. Kõrgetel pingetel töötavate EAP-de jaoks oleks tarvis leida kuumusekindlaid EAP materjale, kuna kõrgetel pingetel töötamisel eralduv soojus lõhub EAP sisemist struktuuri. Samuti oleks tarvis arendada EAP-sid eri paigutustes (kiud ja kiukimbud), mis avardaks lihase liigutamisvõimalusi.