Искусственные мускулы на основе капиллярной нити

Работа посвящена исследованию искусственных мускулов на основе полимерных соединений. В работе рассматриваются различные открытия в данной сфере. На основании анализа выбирается объект исследования. Приводится математическое описание объекта. Проводится серия экспериментов с мышцами на основе полиамидной нити и с актуаторам на основе поливинилового спирта содержащего допинат.

Введение……………………………………………………………………………………….. 14
1 Анализ информационных источников …………………………………………. 16
1.1 Мышцы на основе графена. …………………………………………………….. 16

1.2 Мышцы на основе полимерных соединений…………………………….. 19

1.2.1 Искусственные мускулы на основе полиамидной нити. ….. 20

1.2.2 Мягкие актуаторы из силикона ………………………………………. 23

1.2.3 Мышцы на основе ЭАП …………………………………………………. 26

1.3 Гибкие пневматические мускулы …………………………………………………. 30

1.4 Итоги главы ………………………………………………………………………………… 33

2 Математические модели……………………………………………………………… 36
2.1. Модель полиамидной нити …………………………………………………………. 36

2.2 Модель ЭАП ……………………………………………………………………………….. 40

3 Экспериментальные модели ……………………………………………………….. 45
3.1 Эксперименты с полиамидной нитью ………………………………………. 45

3.1.1 Метод получения нити …………………………………………………… 46

3.1.2 Описание серии экспериментов ……………………………………… 47

3.1.3 Результаты экспериментов……………………………………………… 49

3.1.4 Выводы по экспериментам …………………………………………….. 51

3.2 Эксперименты с ЭАП на основе поливинилового спирта …………. 53

3.2.1 Описание серии экспериментов ……………………………………. 54

3.2.2 Результаты серии экспериментов ……………………………………. 58

3.2.3 Выводы по экспериментам …………………………………………….. 62

4 Социальная ответственность ………………………………………………………. 63
4.1 Техногенная безопасность …………………………………………………………… 64

4.1.1 Микроклимат …………………………………………………………………. 64
4.1.2 Естественная освещенность ……………………………………………. 65

4.1.3 Уровень шума ………………………………………………………………… 67

4.1.4 Уровень электромагнитных излучений …………………………… 67

4.1.5 Выделение вредных веществ ………………………………………….. 69

4.1.6 Электробезопасность …………………………………………………… 70

4.2 Охрана окружающей среды …………………………………………………………. 71

4.3 Защита в чрезвычайных ситуациях ………………………………………………. 73

4.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности . 75

4.4.1 Эргономические требования к рабочему месту ……………. 75

4.4.2 Особенности законодательного регулирования проектных
решений ……………………………………………………………………………………………. 77

5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение…………………………………………………………………………………… 78
5.1 Организация и планирование работ …………………………………………. 78

5.1.1 Продолжительность этапов работ …………………………………. 80

5.2 Расчет сметы затрат на выполнение проекта …………………………….. 83

5.2.1 Расчет затрат на материалы и покупные изделия …………….. 84

5.2.1 Расчет заработной платы………………………………………………. 85

5.2.2 Расчет затрат на электроэнергию ………………………………….. 87

5.2.3 Расчет затрат на социальный налог ………………………………. 88

5.2.4 Расчет амортизационных расходов ……………………………….. 88

5.2.5 Расчет прочих (накладных) расходов ……………………………. 89

5.2.6 Расчет общей себестоимости разработки ………………………. 89

Заключение …………………………………………………………………………………… 90
Список публикаций студента ………………………………………………………… 92
Список источников ……………………………………………………………………….. 93
Приложение 1 ……………………………………………………………………………….. 98
Приложение 2 ……………………………………………………………………………….. 99
1 Literature review ………………………………………………………………………… 100
1.1 Muscles based on grapheme …………………………………………………………. 100

1.2 Muscles based on polymeric compounds ……………………………………….. 103

1.2.1 Artificial muscles based on polyamide yarn. ……………………… 104

1.2.2 Soft silicone actuators …………………………………………………….. 106

Разработка искусственных мускулов – очень молодая область знаний.
Несмотря на родство с такими техническими системами, имеющими долгую
историю, как двигатели, нельзя напрямую причислить к ним искусственные
мускулы. Наличие значительного количества специфических требований и
ограничений заставляет выделять их в качестве отдельной технической
системы.
Сравнивая искусственные мускулы, рассмотренные в первой главе и
электродвигатель, можно отметить, что энергоэффективность многих
искусственных актуаторов значительно ниже чем КПД электродвигателя.
Однако, если рассматривать другие стороны вопроса, то многие
искусственные мускулы имеют ряд неоспоримых преимуществ перед
электродвигателями. Так, например, вакуумные мышцы имеют высокий запас
прочности, отсутствие нагревающихся частей при работе, возможность
использования в различных, экстремальных условиях. Еще, одним
неоспоримым преимуществом всей отрасли в целом является сравнительная
дешевизна изготовления актуатора. В производстве силиконовых мышц не
используются дорогие редкоземельные металлы, нет необходимости
рассчитывать электрические токи и магнитные поля. Но это в свою очередь,
вызывает и другой вопрос. Так как данная сфера достаточно молода, не
существует универсальной системы управления такого рода объектами, так
как мускулы одного типа, например, сжимающиеся под действием
температуры, отличаются друг от друга как по температуре активации, так и
по принципам за счет которых происходит сокращение. Не существует
налаженного производства, обеспечивающего идентичность актуаторов
одного вида.
В третей главе рассматриваются эксперименты, проведенные с
различными образцами искусственной мускулы на основе полиамидной нити.
Полученные экспериментальные данные показывают нелинейную
зависимость удлинения лески при изменении диаметра образцов. Сравнивая,
модель и фактический результат можно заключить, что модель является
достаточно грубым приближением, не учитывающим многих факторов, таких
как влажность лески и неоднородность в материале. Различие в предсказанном
моделью удлинении и фактическом составляет от 0% до 14%, что показывает
уровень адекватности модели.
Приведенная модель для ПВС описывает ионные взаимодействия в
актуаторе содержащим мембрану. Проверить ее актуальность и точность, увы
не представилось возможным. Однако, были получены уникальные
экспериментальные данные при допировании ПВС фулеренами. Таким
образом база электроактивных гидрогелей пополнилась этим открытием.
Если рассматривать применимость данных движителей в будущем, то
можно согласится с большинством, утверждающим, что различного рода
полимерные соединения или углеродные структуры найдут широкое
применение в мехатронных устройствах и не только. Спектр применимости в
различных сферах может быть ограничен только воображением изобретателя.
Однако, если отойти от возможного применения в будущем и взглянуть
на сферу применимости сейчас, то можно отметить, что скорость реакции ряда
актуаторов рассмотренных в работе не является достаточного высокой. Так,
например, мышцы из полиамидной нити имеют весьма большой период
релаксации относительно времени их сокращения. Проблема эффективного
нагрева и охлаждения для данного типа мускулов остаётся актуальной.
Существующие решения в данной сфере позволяют лишь в незначительной
степени компенсировать этот факт. Однако, несомненные плюсы полимерных
мускулов, расширяющихся за счет изменения температуры, говорят о том, что
они могут применяться уже в ряде систем, не требующих от исполнительного
механизма высоких скоростей реакции. Так, например, они могут быть
применены в различных поворотных механизмах, клапанах и задвижках
автоматизированных теплиц. Такие мышцы могут осуществлять плавное
передвижение камер на платформе, в связи с плавностью сокращения мышцы
и отсутствию у нее вибрационных моментов.
Список публикаций студента
По теме работы:
Булатов А. П. «Искусственные мышцы в бионике и робототехнике» //
Молодежь и современные информационные технологии: сборник трудов XIV
Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и
молодых ученых: в 2 т., Томск, 7-11 Ноября 2016. – Томск: ТПУ, 2017 – Т. 1 –
C. 243-244
Иные:
Гасымов З.А., Лобода Ю.О., Булатов А.П., Телегин Н.А., Коротун Н.Н.
«ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕЙРОИНТЕРФЕЙСА MUSE ДЛЯ СОЗДАНИЯ
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МЕХАТРОННЫМ ПРОТЕЗОМ» // Всеросийская
итоговая 77-я студенческая научная конференция им. Н. И. Пирогова г. Томск,
24-26 апреля 2018 г. Т.1 – С. 498 – 499

1. СанПиН 2.2.4.548 – 96. Гигиенические требования к микроклимату
производственных помещений. М.: Минздрав России, 1997.
2. СП52.13330.2016Сводправил.Естественноеиискусственное
освещение. Актуализированная редакция СНиП 23-05-95
3. СанПиН2.2.1/2.1.1.1278–03.Гигиеническиетребованияк
естественному, искусственному и совмещённому освещению жилых и
общественных зданий. М.: Минздрав России, 2003.
4. СанПиН 2.2.4.3359-16 – Санитарно-эпидемиологические требования к
физическим факторам на рабочих местах: утв. постановлением Главного
государственного санитарного врача РФ от 21.06.2016 № 81
5. ГОСТР50377-92(МЭК950-86)Безопасностьоборудования
информационнойтехнологии,включаяэлектрическоеконторское
оборудование.
6. СанПиН 2.2.2/2.4.1340 – 03. Санитарно-эпидемиологические правила и
нормативы «Гигиенические требования к персональным электронно-
вычислительныммашинамиорганизацииработы».–М.:
Госкомсанэпиднадзор, 2003.
7. СП 12.13130.2009 Определение категорий помещений, з д а н и й и
наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности.
8. Постановление Правительства РФ от 25.04.2012 N 390 (ред. От
30.12.2017) “О противопожарном режиме” (вместе с “Правилами
противопожарного режима в Российской Федерации”)
9. Трудовой кодекс Российской Федерации от 30.12.2001 N 197-ФЗ.
10.Hainеs C. S., Lima M. D., Na Li еt al. Artificial musclеs from fishing linе
and sеwing thrеad // Sciеncе. 2014. V. 343. P. 868–872.
11.Fullеr F. B. Thе writhing numbеr of a spacе curvе // Proc. Nat. Acad. Sci.
USA. 1971. V. 68. P. 815–819.
12.Fullеr F. B. Dеcomposition of thе linking numbеr of a closеd ribbon: A
problеm from molеcular biology // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1978. V. 75.
P. 3557–3561.
13.Pohl W. F. DNA and diffеrеntial gеomеtry // Math. Intеlligеncеr. 1980. V. 3.
P. 20–27.
14.Trеloar L. R. G. Thе physics of rubbеr еlasticity. Oxford univеrsity prеss,
1975.
15.Whitе J. H. Sеlf-linking and thе Gauss intеgral in highеr dimеnsions // Am.
J. Math. 1969. V. 91. P. 693–728.
16.Kuhn W., Hargitay B., Katchalsky A. et al.,Reversible dilation and
contraction by changing the state of ionization of high-polymer acid networks
// Nature– 1950. – Vol. 165. – p. 514-516.
17.GrodzinskyA.J.1974Electromechanicsofdeformable
polyelectrolytemembranes. Sc. D. Dissertation Department of Electrical
Engineering. MIT, Cambridge. – 1974. – p. 296.
18. Grimshaw P. E., Nussbaumet J. H., Grodzinsky A. J.et al. Kinetics of
electrically and chemically induced swelling in polyelectrolyte ionic
polymeric gels // Journal of ChemicalPhysics. –1990. – Vol. 93. – p. 4462-
4472. 70
19.Tanaka T., Nishio I., Sun S. T.et al. Collapse of ionic polymeric gels in an
electric field// Science. – 1982. – Vol. 218. – p. 467-469.
20.De Rossi D, Parrini D, Chiarelli P et al. Electricallyinduced contractile
phenomena in charged polymer networks: preliminary study on the feasibility
of muscle-like structures // American Society for ArtificalInternal Organs. –
1985. – Vol. 31. – p. 60-65.
21.Osada Y., HasebeM. Electrically activate mechanochemical devices using
polyelectrolyte ionic polymeric gels // Chemistry Letters. – 1985.– Vol.4.–p.
1285–1288.
22.ShahinpoorM. Conceptual design, kinematics and dynamics of swimming
robotic structures using active polymer ionic polymeric gels // Smart materials
and structures. – 1992. – Vol. 1. – p. 91-94.
23.ShahinpoorM., Osada Y. 1995 Electrically-induced dynamic contraction of
ionic polymeric ionic polymeric gels.Proc.SPIE 1995 North American Conf.
on Smart Structures andMaterials (San Diego, CA, Feb.–March 1995). – Vol
2441.
24.De Gennes P. G., Okumura K, ShahinpoorM.et al.Mechanoelectric effects in
ionic polymeric gel // EurophysicsLetters. – 2000. – Vol. 50. – p. 513-518.
25.Asaka K., Oguro K. 2000 Bending of polyelectrolytemembrane platinum
composites by electric stimuli, part II. Responsekinetics // Journal of
Electroanalytical Chemistry. – 2000. – Vol. 480. –186-198.
26.Nemat-Nasser S., Li J. Y. 2000 Electromechanical response of ionic polymer–
metal composites // Journal of AppliedPhysiscs.– 2000. –Vol. 87.–p.3321-
3331.
27.Tadokoro S. An actuator model of ICPF for robotic applications on the basis
of physico-chemical hypotheses //Proc. IEEE, ICRA – 2000. –p. 1340–1346
28.Sadeghipour K., Salomon R., Neogi S. Development of anovel
electrochemically active membrane and ‘smart’ material based vibration
sensor/damper // Smart Materialand Structures.–1992. – Vol. 1.– p. 172–179
29.ShahinpoorM., MojarradM. 1997b Electrically-induced large amplitude
vibration and resonance characteristics of ionicpolymeric membrane-metal
composites // Proc. SPIE SmartMaterials and Structures Conf. (San Diego,
March 1997)
30.Gong J. P., Osada Y. Modeling and simulation of ionic polymer network //
Preprints of the Sapporo Symp. on Intelligent Polymer Ionic Polymeric Gels
(Sapporo, Japan, Oct. 1994)– 1994. –p. 21–22.
31.ShahinpoorM., Kim K. J. 2001 Ionic polymer metal composites:I.
Fundamentals // Smart Materials and Structures. – 2001. – Vol. 10.–p.819–
833.
32.KimK.J., ShahinpoorM., Razani A. Preparation of IPMC’s for use in fuel
cells, electrolysis, and hydrogen sensors //Proc. SPIE 7th Int. Symp. on Smart
Structures and Materials. –2000. –Vol. 3687
33.Newbury K. M. and Leo D. J.Linear electromechanicalmodel of ionic
polymertransducers,partI:modeldevelopment//Journalof
IntelligentMaterials Systemsand Structures.– 2003. – Vol.14. –p. 333–342
34.Lakshminarayanaiah N.Transport phenomena in artificial membranes //
Department of Pharmacology, University of Pennsylvania, Philadelphia 4,
PennsylvaniaChemical reviews. – 1965. – Vol. 65. – N. 5. – p 492-565.
35.Основы теории упругости: учебное пособие /В.Н. Барашков, И.Ю.
Смолина, Л.Е. Путеева, Д.Н. Песцов. –Томск : Изд-воТом. гос. архит.-
строит. ун-та, 2012. – 184 с.
36.Седов Л.И. Механика сплошной среды, том 1. М.: Наука, 1970
37.Механические свойства // Энциклопедия полимеров / В.А. Кабанов (гл.
ред.). М.: Советская энциклопедия, 1974. Т. 2. С. 230–242.
38.Márcio D. Lima,Na Li,Mônica Jung de Andrade и др.«Electrically,
Chemically, and Photonically Powered Torsional and Tensile Actuation of
Hybrid Carbon Nanotube Yarn Muscles», Scinse – научный журнал
[Электронныйресурс].–Режимдоступа:
http://science.sciencemag.org/content/338/6109/928(датаобращения:
10.05.18)
39.Aslan Miriyev,Kenneth Stack & Hod Lipson и др. «Soft material for soft
actuators» Nature Communications [Электронный ресурс]. volume 8,
Article number: 596–Режимдоступа:
https://www.nature.com/articles/s41467-017-00685-3(датаобращения:
28.04.18)
40.Dian Yang, Mohit S. Verma, Ju‐Hee So, Bobak Mosadegh «Buckling
Pneumatic Linear Actuators Inspired by Muscle» Wiley online library –
онлайнбиблиотека[Электронныйресурс].–Режимдоступа:
https://nlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/admt.201600055(дата
обращения: 30.04.18)
41.Muharrem Acerce, E. Koray Akdoğan & Manish Chhowalla «Metallic
molybdenum disulfide nanosheet-based electrochemical actuators» Nature –
научный журнал [Электронный ресурс]. volume 549, pages 370–373 (21
September2017)–Режимдоступа:
https://www.nature.com/articles/nature23668 (дата обращения: 8.05.18)
42.Поливиниловый спирт – Википедия – свободная энциклопедия
[Электронный ресурс] – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/
wiki/Поливиниловый_спирт (дата обращения 06.05.18)