Пневматични изкуствени мускули (PAM)

Дефиниционни граници и таксономия

Пневматичните изкуствени мускули (ПИМ) са високоподатливи, меки континуумни задвижващи механизми, които трансформират пневматичната енергия (налягането на флуида) директно в механична теглителна сила. За разлика от традиционните твърди пневматични цилиндри, ПИМ не съдържат плъзгащи се части, бутала или уплътнения. Те обикновено се състоят от вътрешен хипереластичен еластомерен плондер, затворен в неразтеглива, спираловидно изтъкана влакнеста мрежа. Когато вътрешният плондер се постави под налягане, той се разширява радиално. Поради кинематичните ограничения на оплетката, това радиално разширение принуждава мускула да се свива аксиално, имитирайки биомеханиката на органичните скелетни мускули.

Таксономията на ПИМ се категоризира главно чрез тяхната геометрична деформационна механика:

1. Мускули на МакКибън (McKibben): Стандартната и най-разпространена топология, включваща цилиндричен еластомер, обвит в двойноспирален ръкав.
2. Плисирани ПИМ (PPAMs): Разработени за елиминиране на триенето между плондера и оплетката. Мембраната е предварително нагъната (плисирана), което й позволява да се разгъва по време на надуване без да се плъзга, което води до почти нулев хистерезис.
3. Мускули на Пеано (Peano): Флуидни мускули, които се свиват чрез трансформиране на плоска геометрия във формата на цилиндър, елиминирайки напълно нуждата от изтъкана мрежа.
4. Вакуумно-задвижвани мускули (VAMs): Работят с отрицателно налягане (вакуум), действащо върху скелетна огъваща се структура, което води до свиване чрез вътрешен колапс, а не чрез радиално разширение.

Историческа еволюция

Концептуалният произход на ПИМ датира от края на 50-те години на миналия век, когато д-р Джоузеф МакКибън математически проектира и внедрява първия пневматичен мускул за задвижване на ортопедични шини за пациенти с полиомиелит. Въпреки своята биомеханична гениалност, технологията остава в застой десетилетия наред поради незрялостта на флуидните контролни клапани и издръжливостта на еластомерите.