Podtlakové umělé svaly

Robotické končetiny nemusejí být uváděny do pohybu a ovládány pomocí servomotorků, táhel a pružin, alternativním řešením jsou umělé svaly různé konstrukce. V praxi se používají pneumatické svaly, svaly využívající elektroaktivní polymery nebo slitiny s tvarovou pamětí... Každé z těchto řešení má ale nějaké nevýhody. Například nízkou efektivitu, ztráty energie často přesahují 98 %. Nebo vyžadují napětí přesahující 1 kV či pracují s přetlakem vyšším než 100 kPa.

Nový typ umělého svalu unese až tisícinásobek vlastní hmotnosti.Snímek Shuguang LI

Společný tým odborníků z Harvardu a MIT nyní představil alternativní metodu, která by mohla alespoň pro některé aplikace nabídnout levné a bezpečné řešení. Podobně jako u klasických pneumatických svalů využívá změny tlaku, ale místo přetlaku pracuje s podtlakem. Základem svalu je pevná vnitřní kostra poskládaná jako origami. Je ukryta v neprodyšném, ale měkkém pouzdře, z něhož lze připojenou vakuovou pumpou odsát vzduch. Pouzdro se působením podtlaku začne smršťovat a tím donutí vnitřní kostru, aby se složila do kompaktní podoby. Lze tak dosáhnout zkrácení až na desetinu původní délky.

Ohebná robotická paže schopná uchopovat předměty je napojena na jedinou vakuovou pumpu, způsob pohybu je určen poskládáním vnitřní kostry.Snímek Shuguang LI

Autoři princip demonstrovali na několika příkladech. Jedním z nich je deset centimetrů dlouhý polymerní sval, jehož výroba trvala deset minut a materiál vyšel na necelý jeden dolar. Váží 2,6 gramu, přesto dokáže zvednout náklad o hmotnosti 3 kilogramy. Při aplikaci podtlaku -80 kPa se stáhne během pětiny sekundy a jeden cyklus stažení a opětovného natažení trvá necelou sekundu. Efektivita využití elektrické energie nutné k pohonu pumpy je pouze 2–5 %, ale autoři zdůrazňují, že jde jen o rychlou demonstraci, která nebyla optimalizována pro maximální účinnost.

Způsob poskládání vnitřní kostry a spojení různých svalů do složitějších komplexů umožňuje dosáhnout i složitých pohybů včetně rotace. Svaly pracující na tomto principu by mohly fungovat v různém měřítku, od malých lékařských nástrojů přes pomocný exoskeleton pro usnadnění lidského pohybu až po velká zařízení využitelná například v kosmickém výzkumu.

Li S. et al., PNAS, DOI: 10.1073/pnas.1713450114

Umělý sval se po odsátí vzduchu smrští a ohne.Snímek Shuguang LI