Simulation of artificial muscles approaches compared to natural muscles

Abstract

Personen, die Gliedmaßen verloren haben oder eine Amputation erlebt haben, sind auf moderne Prothesen angewiesen, um ihren täglichen Aktivitäten nachzugehen. In den letzen 30 Jahren hat sich der Bereich der künstlichen Muskeln von der Idee, biologische Muskeln nachzuahmen, entwickelt. Künstliche Muskeln werden derzeit für den Einsatz in der Industrie, der Robotik und für medizinische Anwendungen erforscht. Es bleibt jedoch die Frage, ob künstliche Muskeln eingesetzt in Prothesen, biologischen Skelettmuskel ersetzen können und ein ähnliches Verhalten und eine ähnliche Reaktion wie dieser erzielen können. Um diese Frage zu beantworten, wurde eine umfassende Literaturrecherche zu verschiedenen Arten künstlicher Muskeln durchgeführt. Diese Recherche umfasst die Stärken und Schwächen der verschiedenen Arten künstlicher Muskeln. Nach der Literaturrecherche wurden ein mathematisches Python-Modell eines biologischen Skelettmuskels und ein Modell eines künstlichen Muskels entworfen. Als künstlicher Muskel wurde ein auf Licht reagierender Hydrogel-Aktuator konstruiert. Ein auf Licht reagierendes Hydrogel kann durch Bestrahlung mit UV-Licht zur Aufnahme von Wasser durch Diffusion geführt werden, und schwillt daraufhin an. Die Python-Modelle der beiden Muskeln dienen zur Berechnung des dynamischen Kontraktionsverhaltens unter verschiedenen Belastungskräften. Ein Vergleich des Kontraktionsverhaltens zeigte, dass biologische Muskeln trotz größerer Belastung, schneller kontrahieren und größere Dehnungen erzeugen. Die langsame Kontraktion des Hydrogel-Aktuators ist bedingt durch die langsame Diffusion des Wassers während des Anschwellens. Es wurde gezeigt, dass eine Halbierung der Diffusionslänge zu einer Verdoppelung der Dehnung des Aktuators führen kann. Um die Leistung von Hydrogel-Aktuatoren zu verbessern, müssen Maßnahmen ergriffen werden, um geringe Diffusionslängen zu gewährleisten.

Individuals who have experienced limb loss or amputation depend on modern prosthetics to facilitate their daily activities. Over the last 30 years, the field of artificial muscles has evolved from the idea of mimicking biological muscle. Artificial muscles are being researched for use in industry, robotics, and medical applications. However, the question remains as to wether artificial muscles can also be used in prosthetics to substitute for biological skeletal muscle and provide similar behavior and response. To answer this question a comprehensive literature review of different artificial muscle types has been conducted. This review covers the strength and weaknesses of each type of artificial muscle. A mathematical Python model of a biological skeletal muscles and an artificial muscles model were designed following the literature review. The artificial muscle was constructed using a light-responsive hydrogel actuator. A light-responsive hydrogel has the capacity to be triggered by a light stimulus, resulting in the absorption of water through diffusion and subsequent swelling in size. The Python models are designed to calculate the dynamic contraction behavior of the muscles under different load forces. A comparison of the contraction behavior demonstrated that biological muscles contract faster with greater load and higher strains. The slow contraction of the hydrogel actuator is caused by the slow diffusion of water during the swelling process. It has been demonstrated that reducing the diffusion distance by half results in a twofold increase of the actuators strain. In order to enhance the performance of hydrogel actuators, measures must be taken to ensure low diffusion distances.