Progettazione e sviluppo di non

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 10758 (2022) Citare questo articolo

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Gli attuatori sono onnipresenti per generare movimento controllato attraverso l'applicazione di una forza o coppia di eccitazione adeguata per eseguire varie operazioni nella produzione e nell'automazione industriale. Le esigenze relative ad attuatori più veloci, più piccoli ed efficienti guidano l'innovazione nello sviluppo degli attuatori. Gli attuatori basati su lega a memoria di forma (SMA) presentano molteplici vantaggi rispetto agli attuatori convenzionali, incluso un elevato rapporto potenza/peso. Questo articolo integra i vantaggi del muscolo pennato di un sistema biologico e le proprietà uniche della SMA per sviluppare un attuatore bipennato basato sulla SMA. Il presente studio esplora ed espande i precedenti attuatori SMA sviluppando il modello matematico del nuovo attuatore basato sulla disposizione bipennata dei fili SMA e validandolo sperimentalmente. Si è scoperto che il nuovo attuatore fornisce forze di attuazione almeno cinque volte superiori (fino a 150 N) rispetto agli attuatori basati su SMA segnalati. La corrispondente riduzione di peso è di circa il 67%. I risultati dell'analisi di sensibilità del modello matematico facilitano la personalizzazione dei parametri di progettazione e la comprensione dei parametri critici. Questo studio introduce inoltre un attuatore gerarchico di livello N che può essere utilizzato per un'ulteriore amplificazione delle forze di attuazione. L’attuatore muscolare bipennato basato su SMA ha ampie applicazioni che vanno dai controlli di automazione degli edifici ai sistemi di somministrazione precisa dei farmaci.

I sistemi biologici, come l'architettura muscolare dei mammiferi, possono ispirare una varietà di attuatori sfumati1. I mammiferi hanno un insieme diversificato di architettura muscolare, ciascuna con uno scopo particolare. Tuttavia, la maggior parte dell'architettura della muscolatura dei mammiferi può essere generalizzata in due vaste categorie; Parallelo e pennato. Presente nei muscoli posteriori della coscia e in altri muscoli flessori, come suggerisce il nome, la muscolatura parallela ha fibre muscolari parallele al tendine centrale. Una successione di fibre muscolari è disposta in fila e collegata funzionalmente dal tessuto connettivo che le circonda. Anche se si dice che questi muscoli abbiano una grande escursione (percentuale di accorciamento), la loro forza muscolare totale è piuttosto limitata. Al contrario, la muscolatura pennata si trova in ciascun muscolo del complesso del tricipite surale2 (gastrocnemio laterale (GL)3, gastrocnemio mediale (GM)4 e soleo (SOL)) e, sul lato estensore della coscia (quadricipite femorale)5,6 ,7. Nell'architettura pennata, le fibre muscolari nel tessuto muscolare bipennato sono presenti su entrambi i lati del tendine centrale con un angolo obliquo (angolo di pennazione). Pennato deriva dalla parola latina "penna", che significa piuma, e spiega il suo aspetto simile a una piuma, come illustrato in Fig. 1. Le fibre dei muscoli pennati sono più corte e orientate ad angolo rispetto all'asse longitudinale dei muscoli. A causa della pennazione, l'intera escursione di questi muscoli è ridotta, determinando una componente laterale e longitudinale del processo di accorciamento. D'altra parte, a causa del modo in cui viene misurata l'area fisiologica della sezione trasversale, l'attivazione di questi muscoli genera una forza muscolare totale più elevata8. Pertanto, in una data area della sezione trasversale, un muscolo pennato sarebbe più forte e produrrebbe una forza maggiore rispetto a un muscolo a fibre parallele. La forza prodotta in una singola fibra provoca la generazione di forza muscolare a livello macro in questa muscolatura. Inoltre, ha proprietà uniche come contrazione rapida, prevenzione dei danni durante l'estensione e assorbimento degli urti. Trasforma la relazione tra l'input delle fibre e l'output della forza muscolare sfruttando le caratteristiche uniche e la complessità geometrica della disposizione delle fibre riguardanti la linea d'azione muscolare.

mostra lo schema del design esistente dell'attuatore basato su SMA rispetto all'architettura muscolare bipennata, ad esempio (a) rappresenta l'interazione della forza tattile, dove il dispositivo a forma di mano azionato utilizzando fili SMA è installato su un robot mobile autonomo a due ruote9,10 , (b) una protesi orbitale dell'occhio robotico con una protesi orbitale dell'occhio azionata a molla SMA montata antagonisticamente. La posizione dell'occhio protesico è controllata da un segnale proveniente dal muscolo oculare dell'occhio11, (c) Gli attuatori SMA sono ideali per applicazioni subacquee grazie alla loro risposta ad alta frequenza e alla ridotta larghezza di banda. In questa configurazione, gli attuatori SMA vengono utilizzati per creare un movimento a forma d'onda simulando il movimento di un pesce10, (d) Gli attuatori SMA vengono utilizzati per costruire micro robot per l'ispezione di tubi che possono muoversi all'interno di una tubazione utilizzando il principio del movimento della vite senza fine azionato da Fili SMA10, (e) mostra la direzione della contrazione delle fibre muscolari e la generazione della forza contrattile nel tessuto muscolare del gastrocnemio pennato, (f) mostra la disposizione dei fili SMA sotto forma di fibre muscolari nell'architettura muscolare pennata.