비 설계 및 개발

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 10758(2022) 이 기사 인용

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액츄에이터는 제조 및 산업 자동화에서 다양한 작업을 수행하기 위해 적절한 가진력 또는 토크를 적용하여 제어된 동작을 생성하는 곳 어디에서나 사용됩니다. 더 빠르고, 더 작고, 효율적인 액추에이터에 대한 요구는 액추에이터 개발의 혁신을 주도합니다. 형상 기억 합금(SMA) 기반 액추에이터는 높은 중량 대비 출력 비율을 포함하여 기존 액추에이터에 비해 여러 가지 장점을 가지고 있습니다. 본 논문은 생물학적 시스템의 페네이트 근육의 장점과 SMA의 고유한 특성을 통합하여 SMA 기반 바이페네이트 액츄에이터를 개발합니다. 본 연구에서는 SMA 와이어의 바이펜네이트 배열을 기반으로 하는 새로운 액추에이터의 수학적 모델을 개발하고 이를 실험적으로 검증함으로써 이전 SMA 액추에이터를 탐색하고 확장합니다. 새로운 액추에이터는 보고된 SMA 기반 액추에이터에 비해 최소 5배 더 높은 작동력(최대 150N)을 제공하는 것으로 확인되었습니다. 해당 중량 감소는 약 67%입니다. 수학적 모델의 민감도 분석 결과를 통해 설계 매개변수를 맞춤화하고 중요한 매개변수를 쉽게 이해할 수 있습니다. 이 연구에서는 작동력을 더욱 증폭시키기 위해 배치할 수 있는 N번째 레벨 계층형 액추에이터를 추가로 소개합니다. SMA 기반 bipennate 근육 작동기는 건물 자동화 제어부터 정밀한 약물 전달 시스템에 이르기까지 광범위한 응용 분야를 갖추고 있습니다.

포유류의 근육 구조와 같은 생물학적 시스템은 다양한 미묘한 작동기에 영감을 줄 수 있습니다1. 포유류는 다양한 근육 구조를 가지고 있으며 각각은 특정 목적을 수행합니다. 그럼에도 불구하고, 포유류 근육계의 대부분의 구조는 두 가지 광범위한 범주로 일반화될 수 있습니다. 평행 및 페네이트. 이름에서 알 수 있듯이 햄스트링과 기타 굴근 근육에서 발견되는 평행 근육 조직은 중앙 힘줄과 평행한 근육 섬유를 가지고 있습니다. 일련의 근육 섬유가 일렬로 배치되어 있으며 이를 둘러싼 결합 조직에 의해 기능적으로 연결되어 있습니다. 이들 근육은 큰 편위(단축 비율)를 갖고 있다고 알려져 있지만, 이들 근육의 전체 근력은 상당히 제한되어 있습니다. 대조적으로, 깃털 근육 조직은 하퇴 삼두근 복합체2(외측 비복근(GL)3, 내측 비복근(GM)4 및 가자미근(SOL))의 각 근육과 허벅지 신근 쪽(대퇴사두근)5,6에서 발견됩니다. ,7. Pennate 구조에서는 bipennate 근육 조직의 근육 섬유가 중앙 힘줄의 양쪽에 비스듬한 각도(pennation 각도)로 존재합니다. Pennate는 깃털을 의미하는 라틴어 'penna'에서 파생되었으며 그림 1에 설명된 것처럼 깃털과 같은 모양을 설명합니다. Pennate 근육의 섬유는 더 짧고 근육의 세로 축에 대해 비스듬히 배향됩니다. 페네이션으로 인해 이러한 근육의 전체 이동이 감소되어 단축 과정에서 측면 및 세로 구성 요소가 발생합니다. 반면, 생리학적 단면적을 측정하는 방식으로 인해 이러한 근육의 활성화는 더 높은 총 근력을 생성합니다8. 따라서 주어진 단면적에서 Pennate 근육은 평행 섬유 근육과 비교할 때 더 강하고 더 높은 힘을 생성합니다. 단일 섬유에서 생성된 힘은 이 근육 조직에서 거시적 수준의 근력 생성을 유발합니다. 또한 빠른 수축, 신장 시 손상 방지, 충격 흡수 등 독특한 특성을 가지고 있습니다. 이는 근육 작용선과 관련된 섬유 배열의 독특한 특성과 기하학적 복잡성을 활용하여 섬유 입력과 근력 출력 사이의 관계를 변환합니다.

예를 들어 (a)는 SMA 와이어를 사용하여 작동되는 손 모양 장치가 2륜 자율 이동 로봇에 설치되는 햅틱 힘 상호 작용을 나타냅니다. , (b) 길항적으로 장착된 SMA 스프링 작동 눈 안와 보철물을 갖춘 로봇 눈 안와 보철물. 인공 눈의 위치는 눈 안구 근육의 신호에 의해 제어됩니다11. (c) SMA 액추에이터는 높은 주파수 응답과 낮은 대역폭으로 인해 수중 응용 분야에 이상적입니다. 이 구성에서 SMA 액츄에이터는 물고기의 움직임을 시뮬레이션하여 파형 모션을 생성하는 데 사용됩니다10. (d) SMA 액츄에이터는 다음과 같이 작동되는 인치-웜 모션 원리를 사용하여 파이프라인 내부에서 이동할 수 있는 파이프 검사용 마이크로 로봇을 구축하는 데 사용됩니다. SMA 와이어10, (e)는 비복근 페네이트 근육 조직에서 근육 섬유의 수축 방향 및 수축력 생성을 나타내고, (f)는 페네이트 근육 구조에서 SMA 와이어의 배열을 근육 섬유 모양으로 보여줍니다.