Simulation of artificial muscles approaches compared to natural muscles

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.