Seit vielen Jahren die Idee eines Menschen mit bionischen Muskeln sofort zaubert Science-Fiction-Bilder einer TV-Serie übermenschlichen Charakter, der mit bionischen Muskeln implantiert wurde dargestellt und mit aller Kraft und Geschwindigkeit weit überlegen kein normaler Mensch. So fantastisch, wie diese Idee auch sein mag, können die jüngsten Entwicklungen in elektroaktive Polymere (EAP) eines Tages eine solche Bionik möglich. Polymere, die Ausstellung mit großem Hubraum in Reaktion auf einen Reiz, dass ein anderer ist als elektrisches Signal waren seit vielen Jahren bekannt. Zunächst EAP relativ wenig Aufmerksamkeit wegen ihrer begrenzten Fähigkeit Betätigung erhalten. Doch in den letzten Jahren hat sich der Blick auf die EAP-Materialien geändert durch die Einführung eines wirksamen neuen Materialien, die deutlich über der Fähigkeit der weit verbreiteten piezoelektrischen Polymer, PVDF. Da diese Technologie entwickelt sich ständig weiter, neue Mechanismen, die biologisch inspirierte sind voraussichtlich entstehen. EAP-Materialien kann potenziell bieten Betätigung mit lebensechten Reaktion und flexibler Konfigurationen. Zwar sind weitere Verbesserungen in der Leistungsfähigkeit und Robustheit sind weiterhin erforderlich, da bereits mehrere Erfolge gemeldet. In Anerkennung der Notwendigkeit der Zusammenarbeit in diesem interdisziplinären Feld der Autor initiiert und organisiert eine Reihe von internationalen Gremien, was zu einer wachsenden Zahl von Forschungs-und Entwicklungsprojekte und die großen Fortschritte auf dem Gebiet sind. Im Jahr 1999 forderte er die weltweite Natur-und Ingenieurwissenschaften Gemeinschaft der EAP-Experten zu einem Roboterarm, der durch künstliche Muskeln betätigt wird, um ein Wrestling-Match gegen einen menschlichen Gegner zu gewinnen entwickeln. In diesem Papier, auf dem Gebiet der EAP als künstliche Muskeln überprüft wird für den Stand der Technik, die Herausforderungen und die Vision für die Fortschritte in den kommenden Jahren.
Einführung
Als Menschen länger leben, gibt es einen wachsenden Bedarf an Verfügbarkeit von Organen für Transplantationen jedoch Mangel an Spenden erfordert die Entwicklung von künstlichen Alternativen. Fortschritte in der Medizin haben, um die Verfügbarkeit von künstlichem Blut, Gelenke, Herzklappen geführt und Herz-Lungen-Maschinen, die gemeinsam sind implantiert. In den Vereinigten Staaten ist fast jeder zehnte Einzelpersonen, die irgendeine Art von einem implantierten medizinischen Gerät [Malchesky, 2001]. Die Muskulatur ist ein dringend erforderlich Orgel und deren Verfügbarkeit in eine künstliche Form für den medizinischen Gebrauch kann einen großen Beitrag zur Verbesserung der Lebensqualität vieler Menschen. Das Entstehen eines effektiven elektroaktive Polymere (EAP), die auch als künstliche Muskeln können potenziell Adresse dieses Bedürfnis bekannt sind. Diese Materialien werden aus menschlichen Antriebe, die die nächste Operation Ähnlichkeit zu biologischen Muskeln. Während diese Betätigung Materialien weit davon entfernt sind die für die Verwendung als Implantate bereit enorme Fortschritte wurden in den letzten Jahren wandte sie in eine viel versprechende Technologie zur Behandlung in medizinischen Anwendungen. Im Allgemeinen sind diese Materialien auf elektrische Stimulation zu reagieren, mit einer signifikanten Form oder Größe ändern und das charakteristische Verhalten hat in hohem Maße in die Liste der erwünschten Eigenschaften von Polymer-Materialien [Bar-Cohen, 2004] verfügbar. Die große Belastung Reaktion der EAP-Materialien wird zunehmend die Aufmerksamkeit der Ingenieure und Wissenschaftler aus verschiedenen Disziplinen, die Suche nach neuen Anwendungen sind. Experten in Biomimetik freuen uns besonders über diese Materialien begeistert, da sie kann auf die Bewegung von biologischen Wesen nachahmen [Bar-Cohen und Breazeal, 2003 werden, und Bar-Cohen, 2004]. Mit dieser Fähigkeit, EAP Roboter-Mechanismen betätigt sind, unter denen Ingenieure zur Entwicklung von Geräten, die zuvor nur denkbar, in Science-Fiction. Ein solches kommerzielles Produkt bereits im Dezember 2002 entstanden ist, ist eine Form der Fisch-Robot (Eamex Japan) [http://www.eamex.co.jp/video/fish.wmv]. Er schwimmt ohne Batterien oder einem Motor und sie benutzt EAP-Materialien, die einfach nach Stimulation beugen. Für Energie nutzt induktiven Spulen, die aus dem oberen und unteren Rand des Beckens stromlos sind. Dieser Fisch ist ein wichtiger Meilenstein für das Feld, wie es ist das erste kommerzielle Produkt gemeldet elektroaktive Polymer-Aktoren nutzen. Seit mehreren Jahrzehnten wurde bekannt, dass bestimmte Arten von Polymeren Gestalt in Reaktion auf elektrische Stimulation verändern kann. Zu Beginn stellte die EAP-Materialien eine relativ kleine Belastung. Seit Anfang der 1990er Jahre eine wachsende Zahl von neuen EAP-Materialien zeichnen sich mit einer großen Belastung Reaktion auf elektrische Stimulation [Bar-Cohen, 2004]. Die Materialien, die entstanden sind, wurden vom Autor in zwei große Gruppen, einschließlich der ionischen und elektronischen EAP unterteilt. Jede der Gruppen und individuelle Art der EAP-Materialien hat seine Vor-und Nachteilen, die es zu berücksichtigen, wenn die Prüfung der Anträge. In Anerkennung der Notwendigkeit einer internationalen Zusammenarbeit zwischen den Entwicklern, Anwendern und potenziellen Sponsoren, der Autor organisierte die erste EAP-Konferenz über 1-2 März 1999, durch SPIE International [Bar-Cohen, 1999]. Diese Konferenz und war die größte je zu diesem Thema und damit einen wichtigen Meilenstein und Drehen im Rampenlicht auf diesen aufstrebenden Materialien und ihre mögliche. Dieser SPIE Elektroaktive Polymer Actuators and Devices (EAPAD) Konferenz nun jährlich organisiert und wurde stetig wachsende Zahl von Präsentationen und Besucher. Derzeit gibt es eine Website, die ihren Archiven Informationen und Links zu den Homepages von EAP Forschungs-und Entwicklungseinrichtungen weltweit [http://eap.jpl.nasa.gov], und einen halbjährlichen Newsletter wird elektronisch ausgestellt [http://ndeaa .jpl.nasa.gov / NASA-nde / lommas / EAP / WW-EAP-newsletter.html]. Weitere, dem Autor bearbeitet und Co-Autor ein Nachschlagewerk über die EAP, das veröffentlicht worden [Bar-Cohen, 2001], wo die 2. Auflage wurde im März 2004 veröffentlicht [Bar-Cohen, 2004]. Dieses Buch [http://ndeaa.jpl.nasa.gov/nasa-nde/yosi/yosi-books.htm] bietet eine umfassende urkundliche Erwähnung, Technologie Bedienungsanleitung und Tutorial-Ressourcen, mit einer Vision für die künftige Ausrichtung des Feld. Es umfasst den Bereich des EAP von allen wichtigen Aspekten, dh, seine volle Infrastruktur, einschließlich der zur Verfügung stehenden Materialien, Modelle zur Analyse, Verarbeitung Techniken und Methoden für ihre Charakterisierung. Im Jahr 1999, in dem Bemühen um weltweite Entwicklung in Richtung der Realisierung des Potenzials der EAP Materialien der Autor stellte eine Herausforderung armwrestling fördern. Eine graphische Darstellung dieser Herausforderung ist in Abbildung 1 dargestellt. Indem wir diese Herausforderung, suchte der Autor zu sehen, ein EAP Roboterarm aktiviert Sieg gegen Menschen in einem Ringkampf um eine solide Grundlage für die Umsetzung der Fortschritte bei der Entwicklung dieser Materialien herzustellen. Zwar ist eine solche Herausforderung war zur Starthilfe die Forschungstätigkeit in diesem Bereich, Erfolg im Ringen gegen Menschen werden Fähigkeiten, die heute als unmöglich sind zu ermöglichen. Dabei könnte die Anwendung der EAP-Materialien, die viele Aspekte unseres Lebens zu verbessern, wo einige der Möglichkeiten, wirksame und intelligente Implantate Prothetik, aktive Kleidung, realistische biologisch inspirierter Roboter und die Herstellung von Produkten mit unübertroffenen Fähigkeiten und Geschicklichkeit gehören. Jahrzehntelange ab sofort ein, können damit rechnen, EAP verwendeten Materialien zu sehen, beschädigte ersetzen menschlichen Muskeln, das heißt, dass "bionischen Menschen." Ein bemerkenswerter Beitrag der EAP-Feld wäre zu sehen, eines Tages eine behinderte Person Joggen vom Lebensmittelgeschäft mit dieser Technologie. Jüngste Fortschritte im Verständnis des Verhaltens von EAP-Materialien und die Verbesserung ihrer Effizienz führten zu dem Punkt, dass die erste armwrestling Wettbewerb ist für 7. März 2005 während der geplanten EAP-in-Aktion-Tagung der Konferenz EAPAD, wo drei Organisationen (aufgeführt im Auftrag der Mitteilung) haben bereits ihre Bereitschaft, für diesen Wettbewerb: 1. SRI International, Menlo Park, CA, USA (Derzeit sucht die notwendigen Mittel zu entwickeln, die erforderlichen Arm um wettbewerbsfähig zu bleiben) 2. Umwelt-Roboter Incorporated (ERI), Albuquerque, New Mexico, USA 3. Eidg. Materialprüfungs-und Forschungsanstalt, EMPA, Dübendorf, Schweiz.
Die Natur als Biologisch-Inspiring Model
Evolution über Millionen von Jahren aus Natur-Lösungen einzuführen, die stark sind Kraftwerke effizienter und Nachahmung bietet mögliche Verbesserungen der unser Leben und die Werkzeuge, die wir benutzen. Sehnsucht der Menschen und die Fähigkeit, die Natur nachzuahmen und insbesondere der Biologie hat sich kontinuierlich weiterentwickelt und mit der Verbesserung der Technologie immer schwierigere Herausforderungen werden in Betracht gezogen. Imitation der Biologie ist vielleicht nicht die wirksamste Ansatz zur technischen Mechanismen, mit Menschen geschaffenen Möglichkeiten. Es ist undenkbar, das Bildgebung Fliegen mit einer Maschine, die Federn und Flügelschlag hat, wo offenbar eine Maschine wie die wollen uns nicht erlauben, die Entfernungen zu erreichen und die Belastungen, die Luftfahrzeuge heute tun, zu tragen. Die Einführung des Rades ist eine der wichtigsten Erfindungen wurden, damit, dass die menschliche große Entfernungen zurücklegen und Aufgaben, die es sonst getan hätte Unmögliche innerhalb der Lebensdauer eines einzelnen Menschen. Während Rad-basierte Mobilität Mechanismen erreichen können große Entfernungen und Geschwindigkeiten, Radfahrzeuge sind zu großen Einschränkungen unterworfen Bezug auf durchqueren komplexem Gelände mit Hindernissen. Natürlich kann vierbeinigen Kreaturen führen zahlreiche Funktionen, die weit über die Möglichkeiten eines Autos sind. Herstellung von zweibeinigen Robotern wird zunehmend zu einem Ziel für die Roboter-Entwickler und Überlegungen zum Einsatz solcher Roboter für die Raumfahrt-Anwendungen sind derzeit im Gange. Making Miniatur-Geräte, die wie eine Libelle fliegen könne, sich an Mauern wie Geckos, Anpassung der Textur, Muster und Form der Umgebung, wie der Krake (kann neu konfiguriert werden, um seinen Körper durch sehr enge Schlauch pass); Prozess komplexer 3D-Bilder in Echtzeit ; Recycling Mobilität Macht hoch effizienten Betrieb und die Fortbewegung, selbst zu vervielfältigen, selbst wachsen mit umliegenden Ressourcen; chemisch zu erzeugen und Energie speichern, und viele andere Funktionen sind nur einige der Bereiche, die Biologie bietet als ein Modell für Wissenschaft und Technik inspirieren. Während viele Aspekte der Biologie noch über das Verständnis und die Fähigkeit, wurden erhebliche Fortschritte erzielt und im Bereich der Biomimetik ist weiter zu entwickeln [Bar-Cohen und Breazeal, 2003]. Die Entwicklung der Fähigkeiten, die von der Biologie inspiriert sind, hat eine Höhe erreicht, wo mehr hochentwickelten und anspruchsvollen Bereichen, wie Weltraumwissenschaft erhöht wird, werden unter Berücksichtigung der Verwendung solcher Roboter. Am JPL, vier und sechs zweibeinigen Robotern sind derzeit für Überlegungen, in Zukunft auf solche Missionen Planeten Mars entwickelt. Solche Roboter sind die Lemuren (Limbed Ausflug Utility Mobile Robot). Diese Art der Roboter würde möglicherweise dazu führen Mobilität im komplexen Gelände, führen Beschaffung und Analyse von Proben, und viele andere Funktionen, die vierbeinigen Tiere, einschließlich der Erfassung und Objektmanipulation zugeschrieben werden. Diese Entwicklung kann möglicherweise dazu führen, dass die Verwendung von Leben-wie Roboter in Zukunft NASA-Missionen, die Landung auf einbeziehen zu verschiedenen Planeten. Die Einzelheiten einer solchen künftigen Missionen wird als eine Verschwörung zu konstruieren, häufig in der Unterhaltungsindustrie eingesetzt zeigt vielmehr als herkömmliche Mission Pläne eines Rovers bewegen sich in einem Gelände und die Durchführung einfacher Aufgaben autonom. Ausgestattet mit multi-funktionalen Instrumente und mehrere Kameras, die LEMUR Roboter soll inspizieren und warten Anlagen jenseits der Nähe der Menschheit im Weltraum. Diese Spinne suchen Roboter hat 6 Beine, von denen jeder austauschbar Endeffektoren die erforderlichen Aufgaben durchzuführen. Die Achse-symmetrische Anordnung ist ein viel wie ein Seestern oder Tintenfisch, und es hat ein Panorama-Kamera-System, omni-direktionale Bewegung und Manipulationen ermöglicht. Robotergesteuerte Technik kommt seit neuestem auch in der Medizin immer häufiger vor. Und hier, entgegen langläufiger Meinungen, nicht nur in der operativen Medizin. So können zum Beispiel auch beim Bleaching beim Zahnarzt in Berlin oder europaweit bei Medizinern bestimmter Fachrichtungen computergesteuer Robotiksysteme zum Einsatz kommen.
EAP als künstliche Muskeln
Einer der wichtigsten Aspekte des Fahrens Mechanismen, die Biologie zu emulieren ist die Entwicklung von Aktoren, die die Fähigkeit der biologischen Muskeln zu imitieren. Das Potential für solche Antriebe wächst kontinuierlich als Vorschüsse werden unternommen, was zu effizienteren elektroaktive Polymere (EAP) [Bar-Cohen, 2004]. Diese Materialien haben funktionale Ähnlichkeiten mit biologischen Muskeln, einschließlich der Belastbarkeit, leiser Betrieb, Schäden Toleranz und große Betätigung Stämme (Stretching, Auftraggeber oder Biegen). Sie können möglicherweise mehr lebensechte Ästhetik bieten, Schwingungen und Stöße dämpfen, und flexibler Antriebs-Konfigurationen. Diese Materialien können verwendet werden, um mechanische Geräte und Roboter ohne traditionelle Komponenten wie machen Zahnräder und Lager, die ihre hohen Kosten, Gewicht und vorzeitige Ausfälle verantwortlich sind. Auch könnten sie möglicherweise als künstliche Organe zu unterstützen oder betreiben das Herz und / oder ihre Ventil, das Auge Deckel und / Bewegung des Augapfels sowie die Brennweite seiner Länge steuern und ermöglichen die Mobilität der Beine und / oder Hand als auch bieten intelligente Prothesen (auch bekannt als Cyborgs). Als Beispiel für eine Funktion von EAP Materialien, die von der Biologie inspiriert, entwickelt der Autor und seine JPL NDEAA Team eine Miniatur-Roboter-Arm. Diese Roboterarm illustriert einige der einzigartigen Fähigkeiten von EAP, wo die Greifer besteht aus vier Fingern EAP (von Ionic Polymer-Metall-Verbund-Streifen gemacht) mit Haken an der Unterseite emuliert Fingernägel. Dieser Arm wurde auf Felsen ähnlich wie die menschliche Hand zu greifen. Der Beginn der Bereich der EAP geht zurück auf ein Experiment, das 1880 von Röntgen durchgeführt wurde, mit einem Gummiband mit festen Ende und einer Masse, die mit freiem Ende, die zahlen-und entladen wurde [Roentgen, 1880 beigefügt zurückzuführen]. Generell gibt es viele Polymere, die Ausstellung Volumen-oder Formänderung in Reaktion auf die Störung des Gleichgewichts zwischen abstoßend intermolekularen Kräfte, die an das Polymer-Netzwerk ausbauen zu handeln, und attraktive Kräfte, die sie schrumpfen. Abstoßenden Kräfte sind in der Regel elektrostatische oder hydrophobe in der Natur, während Attraktion ist durch Wasserstoffbrücken oder van-der-Waals-Wechselwirkungen vermittelt. Der Wettbewerb zwischen diesen Kräften entgegenzuwirken, und damit das Volumen oder die Form zu ändern, kann durch subtile Veränderungen in den Parametern wie Lösungsmittel, Gel-Zusammensetzung, Temperatur, pH, Licht, kontrolliert werden usw. Die Art der Polymere, die durch nicht aktiviert werden elektrische Mittel umfassen: chemisch aktiviert, Shape Memory Polymere, aufblasbare Strukturen, einschließlich McKibben Muskelaufbau, Licht aktiviert Polymere, magnetisch aktiviert Polymere, Gele und thermisch aktiviert [Kapitel 1 in Bar-Cohen, 2004]. Polymere, die chemisch stimuliert werden, wurden mehr als die Hälfte entdeckt ein Jahrhundert her, dass Kollagen Filamente nachweislich die reversibel Vertrag oder zu erweitern, wenn eingetaucht in Säure oder Lauge wässrige Lösungen, bzw. [Katchalsky, 1949]. Auch wenn relativ wenig getan hat, da für solche "nutzen Chemo-mechanische 'Aktoren, dieses frühe Werk wurde eine Vorreiterrolle bei der Entwicklung von synthetischen Polymeren, die biologische Muskeln zu imitieren. Die Bequemlichkeit und Praktikabilität der elektrischen Stimulation und der technologische Fortschritt führte zu einem wachsenden Interesse an der EAP-Materialien. Nach der Beobachtung von 1969 eine erhebliche piezoelektrischen Aktivität in PVF2 [http://www.ndt.net/article/yosi/yosi.htm], begann Ermittler zu anderen Polymer-Systeme zu untersuchen, und eine Reihe von wirksamen Materialien entstanden. Die größten Fortschritte bei der EAP-Materialien Entwicklung hat in den letzten zehn Jahren eingetreten, wenn ein wirksamer Stoffe auslösen können, dass bis zu 380% Dehnung entstanden [Kornbluh und Pelrine, 2004]. EAP kann in zwei große Kategorien auf ihre Aktivierung Mechanismus einschließlich eingeteilt werden ionische und elektronische Geräte. Die elektronische EAP werden durch Coulomb-Kräfte getrieben und sie schließen ein: Dielektrische EAP (in Abb.. 2a), Elektrostriktive Graft Elastomere, Elektrostriktive Papier-, Elektro-Viskoelastische Elastomere, Ferroelektrische Liquid Crystal Polymers und Elastomere (LCE). Diese Art der EAP-Materialien können unternommen werden, um die induzierte Verschiebung zu halten, während unter einer DC-Spannung aktiviert, so dass sie für Robotik-Anwendungen in Betracht gezogen werden. Diese Materialien haben eine größere Dichte und mechanische Energie können sie in der Luft ohne größere Einschränkungen betrieben werden. Doch die elektronischen EAP erfordern eine hohe Aktivierung Felder (> 30-V / mm), dass eine enge werden, um die Gliederungsebene. Im Gegensatz zu den elektronischen EAP, EAP sind ionische Materialien, die Einbeziehung der Mobilität oder Diffusion von Ionen und sie bestehen aus zwei Elektroden und ein Elektrolyt. Die Aktivierung der ionischen EAP kann so niedrig wie 1-2 Volt und meist ein Biegen Verschiebung vorgenommen werden induziert wird. Die ionischen EAP sind Carbon Nanotubes (CNT), leitfähigen Polymeren (CP), elektrorheologische Flüssigkeiten (ERF), Ionen-Polymer-Gel (IPG), Metallic Ionic Polymer Composite (IPMC) (in Abb.. 2b). Ihre Nachteile sind die Notwendigkeit, die Feuchtigkeit halten und stellen sie Schwierigkeiten bei der ständigen Verschiebung nach Aktivierung einer DC-Spannung zu erhalten (außer für leitfähige Polymere). Die induzierte Verschiebung der sowohl die elektronischen und ionischen EAP Materialien können geometrisch angelegten zu biegen, dehnen oder zusammenziehen. Jede der bestehenden EAP Materialien gemacht werden kann, mit einer signifikanten Reaktion Biege-Kurve, mit einem Aktuator mit einem einfach zu Reaktion zu sehen. Allerdings haben Biegewandler relativ wenigen Fällen, wegen der geringen Kraft, Drehmoment oder induziert werden kann. Eine wichtige Frage, die von neuen Benutzern oder Forscher gebeten hat / Ingenieure, die Ankömmlinge in diesem Bereich sind, ist die Notwendigkeit, zu wissen, wo sie diese Materialien erhalten können. Dieses Problem der Nichtverfügbarkeit von kommerziellen EAP-Materialien dämpfen das Tempo der Fortschritte auf dem Gebiet der EAP. Um potenziellen Nutzern zu helfen, hat der Autor eine Website eingerichtet, die beschreibt, wie der EAP verschiedenen Materialien [http://ndeaa.jpl.nasa.gov/nasa-nde/lommas/eap/EAP-recipe.htm machen]. Weitere, vom Autor selbst erstellte Eingaben von Unternehmen, die EAP-Materialien, Geräte oder Prototypen zu versorgen EAP-Prozesse und-dienste. Die Eingänge wurden in einem handlichen Tabelle, die auf einen der Links der WW-EAP gebucht wird WebHub: http://ndeaa.jpl.nasa.gov/nasa-nde/lommas/eap/EAP-material-n-products zusammengestellt . htm
Making Roboter Betätigung mit EAP
Mit der heutigen Technik kann man sehr gut grafisch beleben das Erscheinungsbild und Verhalten von biologischen Kreaturen. Doch in den vergangenen Jahren, Engineering solche biomimetischen intelligente Kreaturen so realistisch Roboter war eine große Herausforderung aufgrund der physikalischen und technologischen Zwänge und Unzulänglichkeiten der bestehenden Technologie. Die Bereitstellung solcher Roboter, die Hopfen und lande sicher, ohne die Gefahr einer Beschädigung des Mechanismus oder die Körper-und Gesichtsbehandlungen Ausdruck der Freude und Begeisterung sind sehr einfach Aufgaben für Mensch und Tier zu tun, als äußerst komplex Ingenieur. Der Einsatz von künstlicher Intelligenz, wirksame künstliche Muskeln und andere biomimetische Technologien sollen die Möglichkeit, realistisch wirkende Roboter-und Verhaltensweisen in mehr praktische technische Modelle [Bar-Cohen und Breazeal, 2003 machen]. Zur Förderung der Entwicklung wirksamer EAP-Aktoren, die Zukunft der Robotik, Spielzeug und Animationen, zwei Prüfstand Plattformen entwickelt wurden, auswirken könnte. Diese Plattformen werden bei den Labor Principal Autors am JPL zur Verfügung und sie sind ein Android Kopf, der Mimik und eine Roboter-Hand mit aktivierbaren Gelenke machen kann. Zurzeit sind konventionelle Elektromotoren Herstellung der dafür benötigten Verformungen zu relevanten Mimik des Android zu machen. Nachdem wirksame EAP-Materialien sind so gewählt, werden sie in das System zur Kontrolle der Oberflächenform Änderungen und Kontrolle modelliert werden Anweisungen für die Schaffung der gewünschten Gesichtsausdruck. Ferner wird die Roboterhand mit Tandems und Sensoren für den Betrieb der verschiedenen Gelenke Simulation menschlicher Hand ausgestattet. Der Zeigefinger dieser Hand wird derzeit von konventionellen Motoren angetrieben werden, um eine Grundlinie festzulegen und sie würden von EAP ersetzt werden, wenn diese Materialien als wirksame Antriebe entwickelt werden. Die zunehmende Verfügbarkeit von Materialien, die EAP weisen hohe Betätigung Verschiebungen und Kräfte eröffnet neue Wege zu Bioengineering in Bezug auf medizinische Geräte und Unterstützung der Menschen bei der Überwindung der verschiedenen Formen der Behinderung. Bereiche, die geprüft sind eine Angioplastie Lenkanlage und Rehabilitationsrobotik. Für die letzteren sind Exoskelett Strukturen in Betracht gezogen, um die Mobilität und Funktionen von Patienten mit schwachen Muskeln zu steigern.
Herausforderungen für die Entwicklung von Materialien, wie EAP Artificial Organs
Als Polymere, EAP Materialien können in verschiedenen Formen gebildet werden, können ihre Eigenschaften entwickelt werden, und sie können möglicherweise mit Micro-Electro-Mechanical-System (MEMS), Sensoren, intelligente Antriebe produzieren integriert werden. Wie bereits erwähnt, ist die attraktivste Merkmal des EAP Materialien ihre Fähigkeit, den Betrieb der biologischen Muskeln mit hoher Bruchzähigkeit emulieren, große Betätigung verbundenen Belastungen und Vibrationsdämpfung. Leider sind die Materialien, die bisher entwickelt worden, noch niedrigen Wirkungsgrad aufweisen, sind nicht stabil, und es gibt keine handelsüblichen Materialien zur Prüfung in der Praxis. Um in der Lage sein, diese Materialien von der Entwicklungsphase, die Anwendung so effektiv Aktoren zu nehmen, es ist eine Notwendigkeit, angemessene EAP-Infrastruktur zu etablieren. Wirksamen Bewältigung der Anforderungen der EAP-Infrastruktur umfasst das Verständnis und analytisch Modell ehaviour von EAP Materialien sowie die Entwicklung wirksamer Verarbeitung und Charakterisierung von Techniken. Wenn man die Verwendung von EAP wie künstliche Organe der Auffassung, es sind Herausforderungen, die angegangen werden müssen, die für die Nutzung von Fremdkörpern wie Implantate im menschlichen Körper gemeinsam sind. Dazu gehören Fragen biologische Verträglichkeit und die Vermeidung von Ablehnung, chemisch sichere Verwendung und die Fähigkeit, die hohen funktionellen Anforderungen zu erfüllen und als Ersatz Orgel zu betreiben. Einige der Themen, um die Verwendung von EAP Zusammenhang wie künstliche Organe der Tatsache, dass die elektronische EAP-Gruppe erfordert hohe Spannung enthalten. Derzeit sind die Materialien in dieser Gruppe die höchste Robustheit und veranlassen sie die größte Betätigungskräfte jedoch die erforderlichen Spannungen im Bereich von hunderten bis tausenden von Spannung ist eine Sorge, die angegangen werden müssen. Auch wenn der elektrische Strom ist relativ gering, die Verwendung solcher Spannungsebenen können Gefahren wie veranlassen Blutgerinnsel oder Verletzungen aufgrund möglicher Spannungsausfall verursachen. Auf der anderen Seite ist die Gruppe der ionischen EAP Materialien chemisch empfindlich und bedarf einer sorgfältigen Schutz weiter, es ist schwierig, eine statische Position aufgrund der Tatsache erhalten, dass diese Materialien eine chemische Reaktion und sogar Gleichspannung verbunden verursacht eine Reaktion. Schnittstellen zwischen Mensch und Maschine zu ergänzen oder zu ersetzen unsere Sinne können wichtige Fähigkeiten für medizinische Anwendungen zu ermöglichen. Eine Reihe solcher Schnittstellen, mit einigen, dass EAP beschäftigen, wurden untersucht und berücksichtigt worden. Von herausragender Bedeutung ist die Fähigkeit, Maschinen-Schnittstelle und dem menschlichen Gehirn [Wessberg et al., 2000 und Mussa-Ivaldi, 2000]. Eine Entwicklung, die von Wissenschaftlern an der Duke University aktiviert diese Möglichkeit, wenn Elektroden wurden an das Gehirn eines Affen verbunden und mit Gehirnwellen, betrieben die Affen ein Roboterarm, sowohl lokal als auch remote über das Internet. Geplant ist, dass der Erfolg bei der Entwicklung von Roboterarmen, dass ein Ringkampf mit menschlichen Gegner gewinnen kann, kann stark von dieser Entwicklung profitieren Neurologen betätigt EAP. Mit einer solchen Möglichkeit, Prothesen kontrollieren Feedback benötigen, um die menschlichen Operator erlauben zu "fühlen" um die Umgebung der Prothesen. Diese Rückkopplung kann mit Hilfe von taktilen Sensoren, haptische Geräte bereitgestellt werden, und andere Schnittstellen. Neben der Bereitstellung von Feedback wird, Sensoren benötigt werden, damit die Benutzer die Prothetik vor möglichen Schäden (Hitze, Druck, Stoß, etc.) zu überwachen, wie wir mit biologischen Gliedmaßen. Die Entwicklung des EAP-Materialien, die taktile Erkennung bieten kann, ist derzeit im Gange, wie in [Bar-Cohen, 2004].
Zusammenfassung und Ausblick
Mit effektiven EAP-Aktoren, die Natur nachzuahmen wäre immens die Sammlung und die Funktionalität der Antriebe, die derzeit verfügbar sind, sowie damit, künstliche Organe zu erweitern. Die Aussicht auf den hierfür Technologien, die ermöglichen, dass "bionischen" Menschen mit künstlichen Muskeln als Science-Fiction-Fernsehserie übermenschlichen Charakter würde, ist immer möglich, wie auf dem Gebiet der EAP fortschreitet. Diese künstliche Materialien arbeiten als Antriebe mit dem nächsten funktionalen Ähnlichkeit zu biologischen Muskeln, einschließlich der Belastbarkeit, leiser Betrieb, Schäden Toleranz und große Betätigung Stämme (Stretching, Auftraggeber oder Biegen). Diese Ähnlichkeit hat verdient EAP den Spitznamen Artificial Muscle und sie können verwendet werden, um den Bedarf an Getrieben, Lagern zu beseitigen und andere Komponenten, die den Bau von betätigt Mechanismen erschweren und sind dafür verantwortlich, hohe Kosten, Gewicht und vorzeitigen Ausfällen. Visco-elastischen Materialien können EAP mehr lebensechte Ästhetik, Schwingungen und Stöße dämpfen liefern und flexibler Antriebs-Konfigurationen. Elektroaktive Polymere können potenziell ermöglichen Bioengineering von medizinischen Anwendungen, die als nicht mit der heutigen Technologie. Wichtig: Zusätzlich zu dieser Funktion kann die Anwendung der Telepräsenz mit Virtual Reality kombiniert mit haptische Interfaces. Da die Technologie fortschreitet, ist es realistisch zu erwarten, dass biomimetischen Prothetik in unsere Zukunft Umwelt zum Alltag wird. Da wir von der Biologie inspiriert, intelligenter Biomimetik zu machen unser Leben werden wir immer auf diese Herausforderungen finden Implementierungen zu verbessern. The author's Armdrücken Herausforderung mit einer Übereinstimmung zwischen den EAP-betätigt Roboter und einen menschlichen Gegner weist auf die Möglichkeiten dieser Technologie.
Danksagung
Forschung in dieser Manuskript wurde am Jet Propulsion Laboratory (JPL), California Institute of Technology, im Rahmen eines Vertrages mit den nationalen Luft-und Raumfahrtbehörde (NASA) durchgeführt.
Referenzen
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Yoseph Bar-Cohen
Jet Propulsion Laboratory /
E-mail:
Web: http://ndeaa.jpl.nasa.gov
Published in: Volume 1, Number 3, September 2004
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