Projeto e desenvolvimento de não

Jun 30, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 10758 (2022) Citar este artigo

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Os atuadores são onipresentes para gerar movimento controlado por meio da aplicação de força de excitação ou torque adequado para executar várias operações na fabricação e automação industrial. As demandas colocadas em atuadores mais rápidos, menores e eficientes impulsionam a inovação no desenvolvimento de atuadores. Os atuadores baseados em liga com memória de forma (SMA) têm várias vantagens sobre os atuadores convencionais, incluindo alta relação potência/peso. Este artigo integra as vantagens do músculo penado de um sistema biológico e as propriedades únicas do SMA para desenvolver o atuador bipenado baseado no SMA. O presente estudo explora e expande os atuadores SMA anteriores desenvolvendo o modelo matemático do novo atuador baseado no arranjo bipenado dos fios SMA e validando-o experimentalmente. O novo atuador fornece forças de atuação pelo menos cinco vezes maiores (até 150 N) em comparação com os atuadores baseados em SMA relatados. A redução de peso correspondente é de cerca de 67%. Os resultados da análise de sensibilidade do modelo matemático facilitam a customização dos parâmetros de projeto e a compreensão de parâmetros críticos. Este estudo apresenta ainda um atuador hierárquico de nível N que pode ser implantado para amplificação adicional das forças de atuação. O atuador muscular bipenado baseado em SMA tem amplas aplicações, desde controles de automação predial até sistemas precisos de administração de medicamentos.

Os sistemas biológicos, como a arquitetura muscular dos mamíferos, podem inspirar uma variedade de atuadores diferenciados1. Os mamíferos têm um conjunto diversificado de arquitetura muscular, cada um servindo a um propósito específico. No entanto, a maior parte da arquitetura da musculatura dos mamíferos pode ser generalizada em duas grandes categorias; Paralela e Penada. Encontrado nos isquiotibiais e outros músculos flexores, como o nome indica, a musculatura paralela tem fibras musculares paralelas ao tendão central. Uma sucessão de fibras musculares é colocada em uma fileira e funcionalmente ligada pelo tecido conjuntivo que as envolve. Embora se diga que esses músculos têm uma grande excursão (porcentagem de encurtamento), sua força muscular total é bastante limitada. Por outro lado, a musculatura penada é encontrada em cada músculo do complexo tríceps sural2 (gastrocnêmio lateral (GL)3, gastrocnêmio medial (GM)4 e sóleo (SOL)) e, no lado extensor da coxa (quadríceps femoral)5,6 ,7. Na arquitetura penada, as fibras musculares no tecido muscular bipenado estão presentes em ambos os lados do tendão central em um ângulo oblíquo (ângulo de penação). O penado é derivado da palavra latina 'penna', que significa pena, explicando sua aparência de pena, conforme ilustrado na Fig. 1. As fibras dos músculos penados são mais curtas e orientadas em ângulo com o eixo longitudinal dos músculos. Por causa da penação, toda a excursão desses músculos é reduzida, resultando em um componente lateral e longitudinal ao processo de encurtamento. Por outro lado, devido à forma como a área de secção transversa fisiológica é medida, a ativação desses músculos gera uma maior força muscular total8. Assim, em uma determinada área de seção transversal, um músculo penado seria mais forte e produziria uma força maior quando comparado a um músculo de fibras paralelas. A força produzida em uma única fibra causa geração de força muscular em nível macro nessa musculatura. Além disso, possui propriedades únicas, como contração rápida, prevenção de danos durante a extensão e absorção de choque. Ele transforma a relação entre a entrada de fibras e a produção de força muscular, aproveitando as características únicas e a complexidade geométrica do arranjo das fibras em relação à linha de ação muscular.

mostra o esquema do projeto de atuador baseado em SMA existente em relação à arquitetura muscular bipenada, por exemplo (a) representa a interação de força háptica, onde o dispositivo em forma de mão acionado usando fios SMA é instalado em um robô móvel autônomo de duas rodas9,10 , (b) uma prótese orbital ocular robótica com uma prótese orbital ocular acionada por mola SMA montada de forma antagônica. A posição do olho protético é controlada por um sinal do músculo ocular do olho11, (c) Os atuadores SMA são ideais para aplicações subaquáticas devido à sua resposta de alta frequência e baixa largura de banda. Nesta configuração, os atuadores SMA são usados ​​para criar movimento de forma de onda simulando o movimento de um peixe10, (d) os atuadores SMA são usados ​​para construir micro robôs para inspeção de tubos que podem se mover dentro de uma tubulação usando o princípio de movimento de polegada sem fim acionado por Fios SMA10, (e) mostra a direção da contração das fibras musculares e geração de força contrátil em um tecido muscular gastrocnêmio penado, (f) mostra o arranjo dos fios SMA na forma de fibras musculares na arquitetura muscular penada.