Ανάπτυξη τεχνητών μελών

1. Ανάπτυξητεχνητών μελών Σεμινάριο Φυσικής Μηλιώνη Δήμητρα Τεχνητοί μύες – Ρομποτικοί Βραχίονες

2. Περιεχόμενα • Βιονική - Βιομιμητική • Δομή και λειτουργία των μυών • Τεχνητοί μύες – Πρώτες προσπάθειες • Νέες τεχνικές – Ηλεκτρενεργά Πολυμερή • Ηλεκτροσυστολικά Πολυμερή / Διηλεκτρικά Ελαστομερή • Τεχνολογία και κατασκευή τεχνητού βραχίονα

3. Η κίνηση και η ζωή του ανθρώπου εξαρτάται άμεσα από τη συστολή των μυών • Μπορούμε να αντικαταστήσουμε έναν τραυματισμένο μυ; • Αν ναι, πώς ;

4. Βιονική-Βιομιμητική • Η νέα σχετικά επιστήμη της Βιονικής και της Βιομιμητικής αντιπροσωπεύει τη μελέτη και τη μίμηση των μεθόδων, των σχεδίων και των διαδικασιών της φύσης. • Η Βιονική μπορεί να οριστεί επίσης ως η αύξηση ή η αντικατάσταση διαδικασιών και λειτουργιών των ανθρώπινων άκρων μέσω μηχανών που ελέγχονται από τα ανθρώπινα νευρικά συστήματα (συμπόσιο Βιονικής, 1960).

5. Τι είναι το τεχνητό όργανο; • Ένα τεχνητό όργανοείναι ένα όργανο που κατασκευάζεται από τον άνθρωπο και το οποίο εμφυτεύεται σε έναν άνθρωπο για να αντικαταστήσει ένα φυσικό όργανο.

6. Από τις 4 βασικές δυνάμεις η βαρυτική και η ηλεκτρική επηρεάζουν σημαντικά το ανθρώπινο σώμα. Οι ηλεκτρικές δυνάμεις επηρεάζουν τη σύνδεση μεταξύ των οστών κι ελέγχουν τη συστολή των μυών. Ποιες δυνάμεις επηρεάζουν το ανθρώπινο σώμα;

7. Μελέτη της δομής και της λειτουργίας ενόςανθρώπινουμυ. • Ο έλεγχος και η δραστηριότητα των μυών οφείλονται σε ηλεκτρικές δυνάμεις. • Οι μύες παράγουν δυνάμεις μόνο κατά τη διάρκεια της συστολής τους.

8. Οι μύες του ανθρώπινου βραχίονα (δικέφαλος, τρικέφαλος) αποτελούνται από γραμμώσεις και κατατάσσονται στους γραμμωτούς μύες. • Γενικά, οι γραμμωτοί μύες λειτουργούν εκούσια. • Οι γραμμωτοί μύες απαιτούν περίπου 0,1 sec για τη συστολή τους.

9. Λειτουργία των γραμμωτών μυών • Οι γραμμωτοί μύες αποτελούνται από ίνες που συνδέονται με τους τένοντες και σχηματίζουν δέσμες ινών. Οι ίνες αποτελούνται από νημάτια. • Κατά τη συστολή των μυών μια ελκτική ηλεκτροστατική δύναμη μεταξύ των νηματίων προκαλεί ολίσθηση μεταξύ τους κι άρα ελάττωση του συνολικού μήκους της δέσμης. • Η συστολή που επιτυγχάνεται είναι 15-20% του μήκους των μυών σε κατάσταση ηρεμίας.

10. Πολλά από τα μυϊκά συστήματα συμπεριφέρονται ως μοχλοί. • Ο βραχίονας προσομοιάζεται με μοχλό τρίτης τάξης. • το μήκος των μυών μεταβάλλεται ανάλογα με τη γωνία κατά την οποία σηκώνουμε ένα αντικείμενο. • Κάθε μυς μπορεί να συσταλεί σε ένα ελάχιστο και να διασταλεί σε ένα μέγιστο. Η μέγιστη δύναμη που ασκεί ο μυς για να άρει ένα αντικείμενο βρίσκεται σε κάποιο ενδιάμεσο σημείο.

11. Χαρακτηριστικά του ανθρώπινου μυ που δύσκολα μπορούν να προσομοιωθούν • Πολυλειτουργικότητα • Ιεραρχική οργάνωση-ευστάθεια • Προσαρμοστικότητα

12. Βασικές απαιτήσεις για την κατασκευή του τεχνητού μυ. • Εύκολος έλεγχος • Αθόρυβη λειτουργία • Μικρή μάζα • Καλαίσθητη εμφάνιση

13. ...μέχρι πρόσφατα... • Τα τεχνητά μέλη εκμεταλλεύονταν την ιδιότητα του ατόμου να κινεί ορισμένες από τις περιβάλλουσες ομάδες μυών της προβληματικής περιοχής. • Χρησιμοποιούνταν ηλεκτρικοί κινητήρες κι άλλοι κοινοί κινησιογόνοι μηχανισμοί, που ήταν όμως ιδιαίτερα ογκώδεις, δύσχρηστοι και βαρείς.

14. μέχρι που... έγινε κοινή πεποίθηση ότι η «τεχνολογία του ωρολογοποιού», οσοδήποτε λεπτομερειακή και αν είναι, δεν μπορεί να αντιπαραβληθεί με την πλαστικότητα των οργανικών μηχανισμών, των μυώνων και των νευρώνων. ...Προς αναζήτηση, λοιπόν, ενός τρόπου για να κατασκευαστούν νέες κινησιογόνες διατάξεις -ενεργοποιητές- χωρίς τη χρήση ηλεκτρικών κινητήρων...

15. Τα πιεζοηλεκτρικά κεραμικά • Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά: ιδιαίτερη κατηγορία υλικών στα οποία ηλεκτρική πόλωση μπορεί να προκληθεί κι από την εφαρμογή μηχανικής τάσης, αλλά και το αντίστροφο. • Τα πιεζοηλεκτρικά κεραμικά λειτουργούν πολύ ικανοποιητικά ως ενεργοποιητές (π.χ. κρουστικά δράπανα τροφοδοτούμενα από δίσκους ΡΖΤ) Πρόβλημα: δεν παραμορφώνονται όμως περισσότερο από ένα κλάσμα του εκατοστού του συνολικού τους μήκους.

16. Προς την τεχνολογία των ηλεκτρενεργών πολυμερών... • Από τα μέσα της δεκαετίας του ’90 και μετά, ο Bar-Cohenλειτουργεί σαν τον ανεπίσημο συντονιστή της κοινότητας των ερευνητών των ηλεκτρενεργών πολυμερών, ερευνά και τελικά μέσα σε λίγα χρόνια διοργανώνει το πρώτο επιστημονικό συνέδριο με θέμα τα ηλεκτρενεργά πολυμερή.

17. (Cohen, J.Y., Electroactive Polymers as Artificial Muscles - A Primer) • «Τα ηλεκτρενεργά πολυμερή (ElectroActive Polymers-EAPs) φαίνονται να είναι η βάση για τους μελλοντικούς τεχνητούς μυς. Τα EAPs μπορούν να παραμορφωθούν επανηλειμμένα με την εφαρμογή εξωτερικής τάσης και γρήγορα επανέρχονται στην αρχική τους κατάσταση όταν αντιστρέφεται η πόλωση».

18. Ένα στοίχημα... Λίγα μόλις χρόνια πριν, πολλοί ειδικοί μεταξύ των οποίων κι ο Bar-Cohen, προκειμένου να ωθηθεί η έρευνα στον τομέα των ηλεκτρενεργών πολυμερών απευθύνουν προς την ερευνητική κοινότητα μια πρόκληση: έναν αγώνα δρόμου για την κατασκευή του πρώτου ρομποτικού βραχίονα με τεχνολογία ηλεκτρενεργών πολυμερών, ο οποίος θα μπορούσε να νικήσει άνθρωπο σε αγώνα χειροπάλης (bras de fer).

19. ...και τα αποτελέσματά του H πλέον ελπιδοφόρα προσπάθεια στο πεδίο των ηλεκτρενεργών πολυμερών ήταν αυτή του SRI International, ενός μη κερδοσκοπικού ερευνητικού εργαστηρίου της California που βάζει ως στόχο τη σύσταση θυγατρικής εταιρείας με προσωρινό όνομα «Τεχνητοί μύες Α.Ε.». Σήμερα το SRI έχει ήδη κατοχυρώσει με διπλώματα ευρεσιτεχνίας την τεχνολογία ηλεκτρενεργών πολυμερών και υλοποιεί αρκετά συμβόλαια έρευνας και ανάπτυξης με σκοπό την εισαγωγή τεχνητών μυών στην αγορά.

20. 2 είδη ηλεκτρενεργών πιεζοηλεκτρικών πολυμερών

21. Ιοντικά ηλεκτρενεργά πολυμερή(η λειτουργία τους βασίζεται στην ηλεκτροχημεία-στην κινητικότητα και διάχυση των ιόντων) Μειονεκτήματα: • χρειάζεται να διατηρούνται βρεγμένα, γεγονός που επιβάλλει να βρίσκονται κλεισμένα μέσα σε εύκαμπτα περικαλύμματα. • σε πολλά από αυτά αν υπερβούμε μια συγκεκριμένη τιμή τάσης θα έχουμε ηλεκτρόλυση, που επιφέρει στο υλικό μη αναστρέψιμη ζημιά.

22. Ηλεκτρονικά ηλεκτρενεργά πολυμερή (διεγείρονται από ηλεκτρικά πεδία) Πλεονεκτήματα: • Αποκρίνονται ταχύτατα • Αποδίδουν ισχυρές μηχανικές δυνάμεις • Δε χρειάζονται προστατευτικά περικαλύμματα • Απαιτούν ελάχιστο ρεύμα για να παραμείνουν στην κατάσταση στην οποία βρίσκονται

23. Το υλικό το οποίο χρησιμοποιεί το SRI International για τους τεχνητούς μύες υπάγεται στην κατηγορία των ηλεκτρονικών πιεζοηλεκτρικών ηλεκτρενεργών πολυμερών. Ας δούμε τη διαδικασία ως την επιτυχή ανάπτυξη των τεχνητών μυών...

24. Στην αναζήτηση... Αναζητείται ένα κινησιοπαράγωγο υλικό που θα μοιάζει με τους φυσικούς μυες ως προς τη δύναμη, την κίνηση και την παραμόρφωση. Η ομάδα εργασίας του SRI International με επικεφαλής το φυσικό Ron Pelrine, καταλήγει στα... • Ηλεκτροσυστολικά πολυμερή: στα πολυμερή αυτά τα μόρια των υδρογονανθράκων διατάσσονται σε ημικρυσταλλικά πλέγματα, παρουσιάζοντας έτσι πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες.

25. Λειτουργία των ηλεκτροσυστολικών πολυμερών Τάση Maxwell: Όταν εκτεθούν σε ηλεκτρικό πεδίο, όλα τα μονωτικά πλαστικά, συστέλλονται κατά τη διεύθυνση των δυναμικών γραμμών του πεδίου, ενώ διαστέλλονται κάθετα σε αυτές. Pelrine:«το φαινόμενο ήταν γνωστό από παλιά, αλλά αντιμετωπιζόταν ως οχληρό παρασιτικό φαινόμενο».

26. Διηλεκτρικά ελαστομερή • Τα μαλακά πολυμερή συμπιέζονταν περισσότερο κι έτσι προσέφεραν μεγαλύτερες μηχανικές παραμορφώσεις. • Μετά από πολλές δοκιμές με μαλακές σιλικόνες οι επιστήμονες του SRI International κατάφεραν παραμορφώσεις της τάξης του 10-15%, που τελικά έφτασαν στο 20-30%. Τα μαλακά αυτά πολυμερή, τα νέα δηλαδή υλικά ενεργοποιητών, ονομάστηκαν διηλεκτρικά ελαστομερή.

27. Λειτουργία ενός ελαστικού πυκνωτή-δύο παράλληλα φορτισμένες πλάκες που περικλείουν ένα διηλεκτρικό υλικό. Πως ο ηλεκτρισμός κάνει το πλαστικό να διαστέλλεται Ελαστικά ηλεκτρόδια (σωματίδια C σε ελαστομερή μήτρα)

28. Πίσω στην πραγματικότητα • Αν και είχαν βρεθεί πολλά υλικά που ενέπνεαν ελπίδα, η επίτευξη αποδεκτής λειτουργίας αποδείχτηκε επίπονη. • Οι ερευνητές, δοκιμάζοντας οποιοδήποτε ελαστικό συναντούσαν, τελικά ανακάλυψαν την ύπαρξη ενός ακρυλικού ελαστομερούς που μπορούσε να δώσει τεράστιες παραμορφώσεις και τεράστια ποσά παραγόμενης ενέργειας.

29. Συγκριτική εικόνα επίδοσης Τα διηλεκτρικά ελαστομερή παράγουν μεγαλύτερη παραμόρφωση και δύναμη από τις περισσότερες ανταγωνιστικές τους τεχνολογίες

30. Επιλογή του καλύτερου υλικού(;;;) • Ακολουθείται μια προσέγγιση κατά την οποία αναπτύσσονται διαφορετικά μοντέλα και χρησιμοποιείται ποικιλία πολυμερών υλικών. • Το υλικό από το οποίο ενδείκνυται να κατασκευάζονται οι τεχνητοί μύες εξαρτάται κάθε φορά από τις συνθήκες της θερμοκρασίας.

31. Κυλινδρικοί ενεργοποιητές • Τυλίγονται 2 στρώματα από διηλεκτρικό ελαστομερές φύλλο επικαλυμμένα με ηλεκτρόδια στα άκρα. • Πολλές φορές τυλίγονται γύρω από συμπιεσμένο ελικοειδές ελατήριο για την άσκηση προέντασης.

32. Ελατηριοκύλινδροι Με απλές παρεμβάσεις οι κυλινδρικοί ενεργοποιητές μπορούν να μετατραπούν σε διατάξεις που κάμπτονται κατ’εντολή.

33. Επιδόσεις - Βελτιώσεις • Δυνάμεις : • ~ 30 Ν • Γραμμικές μετατοπίσεις : ~2 cm • Συχνότητες λειτουργίας : > 50 Hz • Αύξηση των διαστάσεων του ενεργοποιητή • Τοποθέτηση πολλών ενεργοποιητών σε σειρά ή παράλληλα •  Βελτίωση μηχανικού αποτελέσματος

34. Ενεργοποιητές έλξης-ώθησης • Ζεύγη διηλεκτρικών ελαστομερών μεμβρανών ή ελατηριοκυλίνδρων μπορούν να τοποθετηθούν ώστε να δουλεύουν ανταγωνιστικά κι άρα να ανταποκρίνονται πιο γραμμικά. • Οι ενεργοποιητές λειτουργούν τελικά σαν τους ανταγωνιστικούς δικέφαλους και τρικέφαλους μυς που ελέγχουν την κίνηση του ανθρώπινου βραχίονα.

35. Σήμερα • Προσπάθειες για περαιτέρω μείωση της μάζας. • Ο Bar-Cohen που είχε προκυρήξει το διαγωνισμό δηλώνει εντυπωσιασμένος από την πρόοδο της ομάδας SRI στην τεχνολογία των ενεργοποιητών και ιδιαίτερα προβληματισμένος...

36. ...αφού... δεν περίμενε από καμιά ομάδα ερευνητών τόσο άμεση πρόοδο και υπολόγιζε πως θα χρειαζόταν περίπου μια εικοσαετία μέχρι το διαγωνισμό. Όπως δηλώνει, «το SRI ισχυρίζεται πως είναι έτοιμο να τον κατασκευάσει [τον τεχνητό βραχίονα που θα διαγωνιστεί τον ανθρώπινο], κι εμείς δεν έχουμε συγκεντρώσει ακόμη το ποσό του χρηματικού επάθλου!!!».

37. Πάντως...

38. Παράλειψη(Άλλες εφαρμογές της τεχνολογίας των ηλεκτρενεργών πολυμερών) • Γεννήτριες μεταβλητής χωρητικότητας • Συλλέκτες ενέργειας • Κίνηση σε μικροαντλίες • Μεγάφωνα (και ως βαθυφωνικό σύστημα) • Αντικατάσταση κινητήρων στα αυτοκίνητα • Διάφορων τύπων αισθητήρες

39. Βιβλιογραφία • “Φυσική του ανθρώπινου σώματος”, John R. Cameron, James G. Skofronick, Roderick M. Grant, Επιστημονικές εκδόσεις Παρισιανού α.ε, Αθήνα. • Scientific American, ελληνική έκδοση, Φεβρουάριος 2004. • Διαφάνειες του μαθήματος Ιατρική Φυσική, Μ. Μακροπούλου. • Σημειώσεις για το μάθημα Κεραμικά-Διηλεκτρικά Υλικά, Π. Πίσσης, Κ. Ράπτης. • “Smart structures and materials 2003: Electroactive Polymer Actuators and Devices”, Yoseph Bar-Cohen(επιμ.), Proceedings of the SPIE, τόμ. 5051,2003. • BHMAScience,05/09/2004 • “Pneumatic Artificial Muscles: actuators for robotics and automation” Frank Daerden, Dirk Lefeber Καθώς και πληροφορίες από τις ιστοσελίδες: • ndeaa.jpl.nasa.gov/nasa-nde/lommas/eap/EAP-recipe.htm • www.sciencedirect.com • www.physics4u.com • www.newscientist.com • www.health.in.gr • www.utexas.edu