Carbon Fiber-Based Twisted and Coiled Artificial Muscles (TCAMs) for Powered Ankle-Foot Orthoses

执行机构 材料科学 硅橡胶 机械工程 计算机科学 汽车工程 复合材料 工程类 人工智能
作者
Parth Kotak,Jason M. Wilken,Kirsten M. Anderson,Caterina Lamuta
出处
期刊:Journal of biomechanical engineering [ASM International]
卷期号:144 (1) 被引量:11
标识
DOI:10.1115/1.4051927
摘要

Abstract Ankle foot orthoses (AFOs) control the position and motion of the ankle, compensate for weakness, and correct deformities. AFOs can be classified as passive or powered. Powered AFOs overcome the limitations of passive AFOs by adapting their performance to meet a variety of requirements. However, the actuators currently used to power AFOs are typically heavy, bulky, expensive, or limited to laboratory settings. Thus, there is a strong need for lightweight, inexpensive, and flexible actuators for powering AFOs. In this technical brief, carbon fiber/silicone rubber (CF/SR) twisted and coiled artificial muscles (TCAMs) are proposed as novel actuators for powered AFOs. CF/SR TCAMs can lift to 12,600 times their weight with an input power of only 0.025 W cm−1 and are fabricated from inexpensive materials through a low-cost manufacturing process. Additionally, they can provide a specific work of 758 J kg−1 when an input voltage of 1.64 V cm−1 is applied. Mechanical characterization of CF/SR TCAMs in terms of length/tension, tension/velocity, and active-passive length/tension is presented, and results are compared with the performance of skeletal muscles. A gait analysis demonstrates that CF/SR TCAMs can provide the performance required to supplement lower limb musculature and replicate the gait cycle of a healthy subject. Therefore, the preliminary results provided in this brief are a stepping stone for a dynamic AFO powered by CF/SR TCAMs.
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