Músculos artificiales neumáticos

Los músculos artificiales neumáticos ( PAM ) son dispositivos contráctiles o extensionales que funcionan mediante aire a presión que llena una vejiga neumática . A modo de aproximación a los músculos humanos, los músculos artificiales neumáticos suelen agruparse en pares: un agonista y un antagonista .

Los PAM se desarrollaron inicialmente (bajo el nombre de Músculos Artificiales McKibben ) para su uso en prótesis. Joseph Laws McKibben , físico del Laboratorio Nacional de Los Alamos y motivado por la parálisis de las manos de su hija Karan a causa de la poliomielitis , inventó el PAM en 1957. ^{[ 1 ] [ 2 ]} La empresa de caucho Bridgestone ( Japón ) comercializó la idea en la década de 1980 con el nombre de Rubbertuators.

La función de actuación de los PAM depende del ángulo de trenzado del estado de reposo del actuador. Los PAM que utilizan un tejido con un ángulo de trenzado menor que el ángulo de bloqueo crítico (54,7°) se contraerán al presurizarse, mientras que los PAM que utilizan un ángulo de trenzado mayor que el ángulo de bloqueo crítico se extenderán al presurizarse. ^{[ 3 ]}

La resistencia a la retracción del PAM está limitada por la resistencia total de las fibras individuales en la capa tejida. La distancia de esfuerzo está limitada por la densidad del tejido; un tejido muy suelto permite una mayor deformación, lo que retuerce aún más las fibras individuales.

Un ejemplo de una configuración compleja de músculos neumáticos es la Mano Dextrógira Shadow ^{[ 4 ]} desarrollada por Shadow Robot Company, que también vende una gama de músculos para su integración en otros proyectos/sistemas. ^{[ 5 ]}

Los PAM son muy ligeros porque su elemento principal es una membrana delgada . Esto permite conectarlos directamente a la estructura que alimentan, lo cual es una ventaja al considerar el reemplazo de un músculo defectuoso . Si es necesario sustituir un músculo defectuoso, su ubicación siempre será conocida y su reemplazo será más sencillo. Esta es una característica importante, ya que la membrana está conectada a extremos rígidos, lo que genera concentraciones de tensión y, por lo tanto, posibles rupturas de la membrana.

Otra ventaja de los PAM es su comportamiento flexible inherente: cuando se ejerce una fuerza sobre el PAM, este cede sin aumentar la fuerza de actuación. Esta es una característica importante cuando el PAM se utiliza como actuador en un robot que interactúa con un humano, o cuando se deben realizar operaciones delicadas.

En los actuadores neumáticos de acción manual (PAM), la fuerza no solo depende de la presión, sino también de su estado de inflado. Esta es una de sus principales ventajas: el modelo matemático que sustenta su funcionamiento es un sistema no lineal , lo que facilita su control preciso en comparación con los actuadores de cilindros neumáticos convencionales. La relación entre fuerza y ​​extensión en los PAM reproduce la relación longitud-tensión observada en los sistemas musculares biológicos.

La compresibilidad del gas también es una ventaja, ya que aumenta la flexibilidad. Al igual que otros sistemas neumáticos, los actuadores PAM suelen necesitar válvulas eléctricas y un generador de aire comprimido .

La estructura de tejido suelto de la capa exterior de fibras también permite que los PAM sean flexibles e imiten los sistemas biológicos. Si las fibras superficiales se dañan gravemente y se distribuyen de forma irregular, dejando un hueco, la vejiga interna puede inflarse a través de él y romperse. Como ocurre con todos los sistemas neumáticos, es importante no ponerlos en funcionamiento cuando están dañados.

Si bien la tecnología funciona principalmente con aire comprimido (gas), nada impide que también funcione con agua y líquido. El uso de un fluido incompresible aumenta la rigidez del sistema y reduce la deformación.

En 2017, Bridgestone y el Instituto Tecnológico de Tokio presentaron un dispositivo de este tipo , con una relación resistencia-peso declarada de cinco a diez veces mayor que la de los motores eléctricos y cilindros hidráulicos convencionales. ^{[ 6 ]}

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