عضلات الموجات فوق الصوتية: مستقبل الروبوتات اللينة

بناء عضلات يتحكم فيها الصوت

For most of history, mechanical energy was provided by muscles, whether human or animal. It is only with the onset of the Industrial Revolution that energy from wind (windmills), water (watermills and dams), and combustion (steam engines, combustion engines) could be harvested.

لكن هذه الأنظمة الميكانيكية كانت دائمًا أقل كفاءة من الحركة الطبيعية، إذ تتطلب أنظمة معقدة وصيانة لتحقيق حرية حركة محدودة مقارنةً بالعضلات.

لا يزال هذا يمثل تحديًا للروبوتات، التي غالبًا ما تحتاج إلى مجموعات معقدة من المحركات الكهربائية وبرمجيات متقدمة للبقاء في وضعية ثابتة. التحدي الأساسي هو إنشاء حركة قابلة للتحكم بالكامل ومرنة بما يكفي.

وبما أن العضلة تُعد طريقة فائقة لتوليد الحركة، سعى العلماء إلى إنشاء نسخة اصطناعية يمكن تشغيلها بالكهرباء. حتى الآن، المواد المقترحة كانت دائمًا تقصر إما في الأداء أو التكلفة أو طريقة التصنيع.

قد يتغير هذا بفضل تصميم جديد للعضلة الاصطناعية اقترحه باحثون من ETH Zürich (سويسرا)، جامعة مونستر (ألمانيا)، وجامعة نبراسكا-لينكولن (الولايات المتحدة).

They published in the prestigious scientific journal Nature¹, under the title “عضلات اصطناعية قابلة للبرمجة مدفوعة بالموجات فوق الصوتية”

كيف تعمل العضلات المدفوعة بالموجات فوق الصوتية

Muscles work by increasing or decreasing the length of the muscle, pulling on the bone to which it is attached.

Artificial muscles so far have tried to replicate this idea with multiple types of materials:

• أنابيب كربونية نانوية
• سبائك ذاكرة الشكل
• أنظمة هوائية (الهواء) أو هيدروليكية

These systems all suffered from either a lack of reliability, fine-tuned control, energy consumption, or too high costs.

“الطرق الكيميائية غالبًا ما تتطلب وقودًا قد يكون سامًا، والأنظمة القائمة على الضوء تعاني من اختراق محدود للأنسجة وإمكانية حدوث ضرر حراري، والأنظمة المغناطيسية تتطلب أجهزة ضخمة مع خطر التسخين الجولي.”

The researchers in this study went in a new and different direction to control the artificial muscle: sounds.

مزايا الموجات فوق الصوتية

Whether for applications in robotics or biomedical implants, ultrasounds have the advantage of being an easy-to-create control method that is entirely non-destructive.

الموجات فوق الصوتية أيضًا لاسلكية، عن بُعد، تمر بأمان عبر الطبقات الخارجية (بما فيها الأنسجة العضوية)، وتتمتع بدقة مكانية عالية (توجيه).

كما أنها تقنية تُستخدم عادةً بتكلفة منخفضة، بما في ذلك في الإعدادات السريرية.

لذلك، بشكل عام، الموجات فوق الصوتية مثالية للتطبيقات الطبية والداخلية، ويمكن أيضًا استخدامها في مجالات أخرى مثل الروبوتات، خصوصًا ما يُعرف بالروبوتات اللينة.

Ultrasounds are increasingly popular with researchers, who are using them to شحن الزرعات الطبية لاسلكيًا, to طباعة الأنسجة الحية, and للمراقبة الحيوية.

مواد الميكروبقع في العضلات الاصطناعية

In this study, the researchers created a material containing a precisely manufactured array of microbubbles, which, when exposed to the right resonance of ultrasound, cause the material to bend.

المصدر: Nature

عند تغيير حجم مصفوفة الميكروبقع، يمكن تعديل التردد الصوتي الذي يستجيب له كل قسم من المادة.

المصدر: Nature

حتى الآن، كانت القوة التي يولدها الموجات فوق الصوتية في العضلة الاصطناعية ضعيفة جدًا لتطبيقات عملية. لكن هذا التصميم الجديد أقوى بكثير (7.6 μN/mm²)، مما يضع هذا المفهوم في طليعة المواد المحتملة للعضلات الاصطناعية.

تم إنشاء قالب عالي الدقة باستخدام مصفوفات من الميكروأعمدة، نمطت على رقاقة سيليكون باستخدام الليثوغرافيا الناعمة، لتعمل كقوالب سلبية للثقوب الميكروية الأسطوانية.

ثم تم طلاء طبقة رقيقة من بولي‑ديميثيل‑سيليكون (PDMS) على الرقاقة، لتكوين مادة الميكروبقع المطلوبة.

المادة النهائية شكلت عضلة اصطناعية (3 سم × 0.5 سم × 80 μm)، تحتوي على أكثر من 10,000 ميكروبقعة موحدة داخل تجاويف (قطر 40 μm، عمق 50 μm).

إنشاء حركة مضبوطة بالموجات فوق الصوتية

Because different parts of the material react to different frequencies, modulating the ultrasound can be used to create a precisely controlled undulation movement, for example. The researchers also tested interactions of the material with the real world, using it to trap a fish larva, rotate an almond, or move a blade of grass. It also demonstrated that the method was harmless for living organisms, with no heating or negative effects from the ultrasounds.

The researchers then tested whether the material could be used to attach and move organic tissues. To do so, they tested it with a pig heart. The ultrasound-controlled actuators stayed attached and kept moving, transferring force to the tissue.

المصدر: Nature

They also tested the material’s potential for drug delivery, with ultrasound used as the trigger for the release of the material from the microbubble patch.

تحريك الروبوتات داخل الجسم الحي

Lastly, the research created a “mini-stingray bot” whose undulations can control the movement in a liquid environment.

المصدر: Nature

ثم نجحوا في اختبار حركة الروبوت الشفري داخل معدة وأمعاء خنزير.

عند الإطلاق، يدفع الروبوت الشفري نفسه إلى الأمام بسرعة أولية تبلغ حوالي 0.8 طول الجسم في الثانية، مما يبرهن قدرة النظام على التحرك داخل الأعضاء الداخلية للحيوان.

المصدر: Nature

Altogether, these experiments confirmed the material’s potential for in vivo use of wireless and wearable devices.

التطبيقات

The study focused on potential biomedical applications, as this could be the most straightforward application of this technology. Soft robotics is increasingly used to integrate materials used in medicine, for example, delivering to the right organ anti-cancer drugs or other treatments.

يمكن توسيع هذه الطريقة لتشمل قطعًا أكبر، على الأقل إلى مقياس السنتيمتر، ومع العديد من درجات الحرية في الحركة.

لذلك في المستقبل، قد تُستَخدم هذه العضلات الاصطناعية في الروبوتات، الإلكترونيات المرنة، التقنيات القابلة للارتداء، الأطراف الصناعية، الأجهزة الطبية الحيوية، وغيرها.

Further improvement could also make this concept even more powerful and useful:

• يبدو أن التجاويف المخروطية المتقاربة يمكن أن تولد سرعات تدفق أقوى بحوالي 3 أضعاف مقارنةً بالأشكال المتباعدة. لذا فإن تحسين الشكل والكثافة قد يخلق مشغلات بملفات تشوه مخصصة.
• مصدر صوت تركيزي قد يحقق تشوهًا أقوى وتوجيهًا أكثر دقة لجزء محدد من العضلة الاصطناعية.
• يمكن أيضًا استخدام الهلاميات المائية والبوليمرات القابلة للتحلل في تطبيقات طبية حيوية أكثر.

اسحب للتمرير →

الاستثمار في التكنولوجيا الصحية

Philips هي علامة تجارية معروفة في مجال الإلكترونيات الاستهلاكية الصغيرة (ماكينات الحلاقة، فرش الأسنان الكهربائية)، وتشارك بنشاط في قطاع الرعاية الصحية. على سبيل المثال، كانت الشركة رقم 1 في تقديم براءات MedTech في أوروبا لعام 2022 وفي ضمن الثلاثة الأوائل في السنوات التالية.

تشارك في منتجات طبية متصلة، من الأجهزة القابلة للارتداء إلى التصوير، وأجهزة التنفس، والروبوتات الطبية.

كما تنشط في مجال أشباه الموصلات (بما فيها تقنية المغناطيسية) والتقنيات المتقدمة/الروبوتات/الأتمتة، حيث تشترك جميع أنشطتها في قاعدة تقنية مشتركة.

المصدر: Philips

تقدم Philips أجهزة قابلة للارتداء لقياس مؤشرات القلب، والتنفس، والنشاط. يمكن دمج حسّاتها في الساعات الذكية، ومراقبي الصحة، والرقع الطبية، وأجهزة تتبع النشاط.

خبرة Philips في الحساسات المتوافقة حيويًا، وأشباه الموصلات، والحلول اللاسلكية قد تجعلها رائدة في الزرعات الطبية المتقدمة التي تستفيد من الموجات فوق الصوتية.

في مجال الأجهزة الطبية، تفضّل Philips حلول الشراكة، حيث تطور للأطراف الثالثة أجهزة إنترنت الأشياء الطبية المتصلة المتوافقة بالكامل مع باقي حلول Philips. في هذا السياق، تقدم لعملائها النمذجة الأولية، الاستشارات التنظيمية، تطوير المنتج من البداية إلى النهاية، والإنتاج على نطاق صناعي.

هذا يجعل Philips شركة تركز على التقنية ومرشحًا محتملًا لتكامل الابتكارات الجديدة بسرعة في الأجهزة الطبية القائمة. إجمالًا، تؤثر أجهزة Philips مباشرة على أكثر من 1.8 مليار شخص.

تسعى الشركة لإنشاء بيئة رعاية صحية رقمية متكاملة بالكامل، حيث تتطابق الحساسات مع الأجهزة، ثم تُستخدم حلول اتصال متعددة لتدمجها في منصة Philips HealthSuite Cloud وتتيح تحليلات بيانات متعمقة.

المصدر: Philips

كموّرد في صناعة MedTech، غالبًا ما تصنّع للعلامات التجارية الأخرى، لذا لا تكون Philips مرئية بقدر الشركات الأكبر في القطاع. ومع ذلك، هي خبيرة في بناء أجهزة إلكترونية وحساسات عالية الأداء، وغالبًا ما تدفع حدود الممكن في مجال الرعاية الصحية والملابس القابلة للارتداء.

مع تزايد دمج الأجهزة القابلة للارتداء والإلكترونيات الطبية في بروتوكولات الرعاية الصحية، من المرجح أن ينمو قطاع الرعاية الصحية في Philips كجزء من التكتل.

أحدث أخبار وتطورات أسهم Koninklijke Philips N.V.( PHG)

الدراسة المشار إليها

^{1. Shi, Z., Zhang, Z., Schnermann, J. et al. عضلات اصطناعية قابلة للبرمجة مدفوعة بالموجات فوق الصوتية. Nature 646, 1096–1104 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09650-3}