Przywitanie itp

Każdy z nas widział już jakieś urządzenie, które zastępuję ludzkie mięśnie i wszyscy wiemy,
że nie sposób jest przecenić użyteczności tych urządzeń w dzisiejszym świecie. Oto kilka
przykładów. Pierwszy z nich widoczny jest na rys. 1.

Rys. 1. Cztery plastikowe taśmy podnoszą skałkę

Widać na nim, jak prosty manipulator zaciska swoje cztery plastikowe taśmy, aby

pochwycić i podnieść twardą skałkę. Zastosowanie takiego urządzenia jest bardzo przejrzyste.
Podniesie   przedmiot,   którego   z   jakiegoś   powodu   nie   podniesie   człowiek   np.   wysoka
temperatura, szkodliwe czynniki.  Ale co zrobić w przypadku, gdy podnieść trzeba przedmiot,
bądź materiał, który jest bardzo kruchy np. próbkę jakiejś ważnej skałki? Takie urządzenie
zgniecie  jakże cenny materiał  laboratoryjny.  Zastosowanie takiego manipulatora jest więc
ograniczone. Użyć go możemy do przedmiotów, co do których jesteśmy pewni, że nie ulegną
zniszczeniu,  w wyniku  przyłożenia do nich siły.  Rozwiązaniem tego problemu  może być
ramię robota pokazane na rys. 2.

Rys. 2. Chwytanie elementu z „czuciem”

Hiszpańscy naukowcy wynaleźli palce robota, które posiadają zmysł dotyku. A to przez

zastosowaniu polimeru, dzięki któremu możliwe jest stwierdzenie wagi podnoszonego
przedmiotu i zastosowanie do złapania go odpowiedniej siły. Jest to podobne, do sposobu w

jaki człowiek posługuje się zmysłem dotyku. Jeżeli podnosimy delikatny przedmiot np. kwiat,
końce naszych palców zaciskają się na nim delikatnie, i przeniesienie takiego przedmiotu nie
wymaga   od   nas   wielkiej   siły   ani   skupienia.   Instynktownie   używamy   więcej   siły,   gdy
trzymamy  bądź przenosimy cięższy przedmiot,  gdyż  występuje reakcja pomiędzy naszym
czuciem, a mięśniami. Wiadomo jednak, że przedmioty ciężkie również mogą być kruche i w
takim   przypadku   urządzenie   się   nie   sprawdzi.     Niestety   trzeba   zostawić   tą   zagwostkę
naukowcom, którzy nadal udoskonalają swój produkt.

Ciekawy pomysł zastosowania siłowników do imitacji mięśni ludzkich przedstawili

japońscy naukowcy. Pokaz ten uświetniła zakończenie zjazdu AAAS. Zaprezentowano robota
(rys. 3), który - według zapewnień twórcy, Davida Hanson’a z Uniwersytetu Teksasu w
Dallas - wyraża pełen repertuar ekspresji ludzkiej twarzy.

Rys. 3. K- bot – dzieło Davida Hanson’a

Po co komu robot strojący miny? Głównie do badań sztucznej inteligencji, a ściślej

"systemów inteligencji adaptacyjnej, które umieją rozpoznawać ludzi i na nich reagować" -
wyjaśnia Hanson. Dzięki kamerom ukrytym za szklanymi tęczówkami potrafi rozpoznawać
ludzkie reakcje i kwitować je stosownym wyrazem twarzy. To o wiele więcej niż jego
poprzednik - android Andy, którego repertuar ograniczał się do ledwie czterech grymasów
twarzy. Twórca "wyrzeźbił" twarz K- bota z opracowanego przez siebie polimeru -
kombinacji elastomeru oraz pianki - dającego złudzenie (tak w wyglądzie, jak i w dotyku)
żywej ludzkiej skóry. Jej ruchami zawiadują 24 sztuczne mięśnie. Całość - twarz, mięśnie i
silniczki - waży dwa kilogramy. Koszt wykonania zamknął się w kwocie 400 USD i byłby o
wiele niższy, gdyby doszło do masowej produkcji.

Ale naukowcy pracują nie tylko po to, żeby tworzyć rzeczy, które służą do rozrywki,

czy dla przemysłu. Przekładem tego może być urządzenie zaprezentowane na rys. 4.

Rys. 4. Inteligentna proteza ortopedyczna

Jest grupa ludzi, którzy w wyniku różnych wypadków, czy innych komplikacji

życiowych  jest pozbawiona kończyny  lub jej  części.  Kiedyś  byli  oni skazani na życie  w
kalectwie, a dziś istnieją takie protezy jak na zdjęciu. Jest to cześć nogi – łydka ze stopą, która
pozwala   człowiekowi   pozbawionemu   tej   części   kończyny   poruszać   się   normalnie.   Dwa
pneumatyczne   mięśnie   firmy   McKibben   doczepione   są   do   stopy   za   pomocą   zawiasów.
Zasilane   są   one   z   baterii   umieszczonych   w   tylniej   części   stopy.   Specjalna   konstrukcja
pozwala utrzymywać równowagę i zapewnia w czasie ruchu przyczepność do podłoża, co jest
możliwe dzięki współpracy obu siłowników. Należy dodać, iż, pomimo że siłownik taki waży
ok. 350 g może być użyty do protezy dla dorosłego, nawet solidnie zbudowanego człowieka.
Specjalne niklowo kadmowe akumulatory, ważące ok. 210 g wystarczają na ok. dwa tygodnie
działania,  a wymiana  ich nie nastręcza  użytkownikowi  większych  trudności niż wymiana
baterii w walkmanie. Być może więc za parę lat nie zobaczymy już człowieka bez kończyny,
bo nawet nie zorientujemy się, iż dziarsko przed nami kroczący człowiek jeszcze jakiś czas
temu nie miał nogi. Chwilowo jednak takie protezy są bardzo drogie, i niewielu ludzi stać na
takie   urządzenie.  Jednak  w  przyszłości,  –  kto wie?  Podobnym  przykładem   zdaje  się być
fotografia, która zaprezentowana jest na rys. 5.

Rys. 5. Inteligentne urządzenie imitujące dłoń ludzką, jej ruchy i kształt

Przedstawia ona rękę robota – androida. Prezentowana na zdjęciu ręka waży ok. 16

kilogramów,   co   wyklucza   zastosowanie   jej   jako   protezy,   niemniej   jednak   należy   zwróci
uwagę na kilka zasadniczych  faktów. Urządzenie  to w doskonały sposób oddaje kształt i
funkcję wykonywane przez ludzka dłoń. Nie mówimy tu oczywiście o czułym dotyku, bo jak
sami widzicie nie wygląda ona zbyt subtelnie, ale o funkcji chwytania, przenoszenia. Robot z
zainstalowaną dłonią może nam również pomachać, a gdyby nałożyć na dłoń syntetyczna
skórę,   której   fotografii   nie   udało   mi   się   zdobyć,   to   gdyby   nie   jej   twardość   i   waga   i
temperatura, nie bylibyśmy w stanie stwierdzić ze jest ona sztuczna, gdyż jej ruchy, dzięki
zastosowaniu odpowiednich regulatorów i innych urządzeń, których producent nie zdradził są
niesamowicie płynne. Ciekawe jest, czy nie udałoby się skonstruować takiej, która mogłaby
zastąpić inwalidzie jego stracona rękę. Problemem jest jedynie jej masa i dosyć duża energia,
jaką potrzebuje do działania oraz co bardzo ważne, zapewnienie jej większej delikatności,
gdyż  witając się z nią  można  by było  okupić to poważnym  zmiażdżeniem dłoni.  Jednak
dynamiczny rozwój tej technologii rokuje duże nadzieje na to, iż te kilka kwestii zostanie
wkrótce rozwiązanych.

Na podstawie przedstawionych przykładów można powiedzieć, kiedy potrzebne jest

zastąpienie kończyny ludzkiej przez urządzenie. Wyróżnić należy kilka ważniejszych
przypadków. I tak, gdy mamy do czynienia z:
 Materiałami niebezpiecznymi;
 Otoczeniem niebezpiecznym:
 Elementami bardzo małymi, kruchymi;
 Nieszczęśliwymi wypadkami;
 Słabym dostępem;
 Wymogiem nietypowych warunków pracy;
 Koniecznością dużej precyzji;



Itp.

A może już pora na coś nowego? Po co nam w sztucznych mięśniach tony żelastwa,

siłowników, baterii, przekładni zębatek itp. Alternatywą może być fotografia pokazana na rys.
6.   Przedstawia   ona   zabawkę   wykonaną     przez   inżynierów   z   Osaki.   Na   pozór   niewinnie
wyglądające akwarium z rybkami. Jest to jednak jedno z największych odkryć ostatnich kilku
lat w dziedzinie sztucznych mięśni. Otóż rybki te beztrosko pływają sobie po akwarium do
złudzenia   przypominając   żywe.     Co   w   nich   takiego   wyjątkowego?   Jaskrawo   ubarwione,
poruszające   się   w wodzie   całkiem   naturalnie   rybki   nie   zawierają   żadnych   elementów
mechanicznych - silników, wałków, kół zębatych ani nawet baterii. Rybki pływają, ponieważ
ich plastikowe wnętrze wygina się raz w jedną, raz w drugą stronę, jakby zgodnie z ich wolą.

Działanie mięśni jest proste: pobudzane impulsami nerwowymi, zmieniają długość

i wywierają   w ten   sposób   odpowiedniej   wielkości   siłę   -   raz   wystarczającą   do   poruszenia
powieką,   innym   razem   do   uniesienia   sztangi.   Mięśnie   cechuje   niezmienniczość   skali   -
mechanizm działania sprawdza się niezależnie od ich rozmiarów, dzięki czemu nieróżniące
się   w istotny   sposób   tkanki   mięśniowe   poruszają   i ciałem   owada,   i słonia.   Układy
przypominające mięśnie byłyby przydatne do budowy miniaturowych urządzeń, do których
trudno skonstruować dostatecznie małe silniki elektryczne. Nadzieją na spełnienie marzenia
o sztucznych  mięśniach są elektroaktywne  polimery.  Już dziś pracuje się intensywnie nad
zastąpieniem nimi wielu stosowanych obecnie rozwiązań.

Parę lat temu Yoseph Bar-Cohen, badacz z Kalifornii, chcąc wzbudzić zainteresowanie

tym tematem, rzucił wyzwanie naukowcom - obiecał nagrodę pieniężną tym, którzy
wykorzystując elektroaktywne polimery, zbudują ramię robota i wygrają z człowiekiem
zapasy "na rękę" (rys. 8).

Rys. 8. Zapasy na rękę z maszyną

Wydaje się, że najbliższa sukcesu jest grupa z SRI International, niezależnego

laboratorium z Menlo Park w Kalifornii. Jaki cel na początek stawia sobie firma? Tylko
zastąpienie znacznej części niezliczonej liczby silników elektrycznych i innych używanych
dziś mechanizmów napędowych mniejszymi, lżejszymi i tańszymi urządzeniami opartymi na
nowatorskich siłownikach z SRI.

Zasada działania nowego rodzaju siłowników, nazywanych sztucznymi mięśniami, jest

stosunkowo prosta. Wiele elastomerów dielektrycznych (rodzaj izolujących elektroaktywnych
tworzyw   sztucznych),   na   przykład   polimery   silikonowe   i akrylowe,   umieszczonych
w dostatecznie   silnym   polu   elektrycznym,   kurczy   się   w kierunku   pola   i rozszerza
w płaszczyźnie do niego prostopadłej, ulegając zjawisku, które fizycy nazywają naprężeniem
Maxwella.   Nowe   urządzenia   przypominają   giętkie   kondensatory   -   dwie   okładki
z umieszczoną   między   nimi   warstwą   dielektryka.   Po   podłączeniu   napięcia   przeciwległe
okładki ładują się odpowiednio dodatnio i ujemnie. Przyciągają się i zgniatają rozdzielający je
izolator,   który   w odpowiedzi   zwiększa   swoją   powierzchnię.   Inżynierowie   powlekają
z obydwu stron cienkie (zwykle grubości 30-60 mm) warstwy elastomerów dielektrycznych
plastycznym   polimerem,   zawierającym   drobiny   przewodzącego   węgla.   Po   połączeniu
przewodami   z zasilaczem   zewnętrzne   warstwy   z węglem   służą   za   elastyczne   elektrody,
rozciągające  się  wraz  ze  znajdującym  się  między  nimi  materiałem.  Taka   przypominająca

kanapkę struktura jest podstawowym elementem wielu rodzajów nowych siłowników,
czujników i generatorów prądu.

Elastomery dielektryczne mogące zwiększać swoje rozmiary nawet czterokrotnie nie są

oczywiście jedynymi materiałami elektroaktywnymi, należą jednak do najefektywniejszych.

Polimery odkształcające się pod wpływem elektryczności można podzielić na dwa

rodzaje:


Jonowe;



elektronowe.

Każdy z nich ma wady i zalety.
Jonowe polimery elektroaktywne (w tym jonowe żele polimerowe, jonomerowe

kompozyty   polimer-metal,   przewodzące   polimery   oraz nanorurki   węglowe)   działają   na
zasadzie  dyfuzji jonów. Ponieważ wyraźne  odkształcenie  powstaje pod wpływem  zmiany
napięcia   o pojedyncze   wolty,   do   zasilania   wystarczają   baterie.   Problem   w tym,   że aby
działały,  muszą być wilgotne, stąd konieczność ich szczelnego zamykania w elastycznych
koszulkach.   Inna   poważna   wada   wielu   jonowych   polimerów   elektroaktywnych   (w
szczególności jonomerowych kompozytów polimer-metal) polega na tym, że "ruch trwa tak
długo,   jak   przykładane   jest   napięcie,   a przekroczenie   jego   granicznej   wartości   inicjuje
elektrolizę, która nieodwracalnie uszkadza materiał".

Elektronowe polimery elektroaktywne (takie jak polimery ferroelektryczne, elektrety,

elastomery   dielektryczne   i elektrostrykcyjne   elastomery   szczepione)   natomiast   są
uaktywniane  przez  pole  elektryczne.  Wymagają  więc  stosunkowo wysokich  napięć,  które
mogą   powodować   nieprzyjemne   elektrowstrząsy.   W zamian   jednak   polimery   te   reagują
szybko i ze znaczną siłą. Nie wymagają powłok ochronnych i prawie nie potrzebują prądu do
utrzymania pozycji.

Polimery, które zmieniają wielkość pod wpływem elektryczności, umożliwiają

projektowanie   sterowanych   wydłużających   się   lub zginających   siłowników.   Inżynierowie
najpierw   nawijają   dwie   warstwy   arkusza   elastomeru   (pokrytego   z obydwu   stron   giętkimi
elektrodami) na walec. Często warstwy nawija się na ściśniętą sprężynę, która silnie napręża
wstępnie elastomer, zwiększając skuteczność urządzenia. Siłowniki cylindryczne (tzw. spring
rollsy) mogą mieć wiele zastosowań w robotach, protezach, pompach, zaworach i wszędzie
tam, gdzie wymagany jest przesuw liniowy.  Na razie mogą one działać siłą do 30 N, ze
skokiem 2 cm i częstotliwością 50 Hz. Aby uzyskać wyższe parametry, można zastosować
większe siłowniki albo połączyć je szeregowo lub równolegle.

Przez stosunkowo prostą modyfikację siłowników cylindrycznych można uzyskać

siłowniki zginające. Na boczne powierzchnie walca nanosi się specjalny układ elektrod tak,
że po   każdej   stronie   walca   powstaje   niezależnie   zasilany   siłownik.   Jeżeli   napięcie
doprowadza   się   tylko   do   lewej   części,   prawa   strona   działa   hamująco   i walec   wygina   się
w prawo. Jeżeli aktywujemy tylko prawą część, walec wygina się w lewo. Aktywacja obydwu
siłowników   powoduje   wydłużenie   walca.   Bardziej   skomplikowane   układy   niezależnych
elektrod   umożliwiają   bardziej   złożone   ruchy   i mogą   posłużyć   do   konstrukcji   robotów
naśladujących   ruchy  węża,   manipulatorów,   zdalnie   sterowanych   cewników   i endoskopów,
nóg robotów i mechanizmów nakierowywania anten.

Reasumując można dodać, iż fizycy i chemicy przez długi czas poszukiwali lekkich

materiałów,   które   w reakcji   na   prąd   elektryczny   w znaczny   sposób   zmniejszałyby
lub zwiększały swoje rozmiary. Materiały o takich właściwościach mogłyby posłużyć  jako
siłowniki i zastąpić powszechnie stosowane silniki elektryczne, które w przypadku małych
urządzeń   są   zbyt   duże   i ciężkie.   Nowa   generacja   elektroaktywnych   polimerów   wykazuje
dostateczną reakcję na pobudzenie elektryczne, aby dać początek nowej klasie siłowników,
a także   czujników   i generatorów.   Produkty   wytwarzane   z wykorzystaniem   technologii
"sztucznych mięśni" zaczynają się już pojawiać na rynku.

Document Outline