Muskelbaserede aktuatorer kan maksimere potentialet for robotløsninger

En gruppe innovative ingeniører fra MIT har netop skabt muskelbaserede aktuatorer, der kan revolutionere robotteknologi. De kreative sind kombinerede en specielt designet monodirektionel aktuator med laboratoriedyrkede muskelceller. Denne struktur gjorde enheden letvægtig og forbedrede ydeevnen. Sådan kan denne nye muskelbaserede aktuator hjælpe med at drive robotter i fremtiden.

Bioflexure muskelbaserede aktuatorer

Et artikel offentliggjort i tidsskriftet Advanced Intelligent Systems forklarer, hvordan en ny type bioflexure kan levere gentagelige og pålidelige resultater, der er mange gange mere effektive end et tidligere forsøg. For at gennemføre denne opgave måtte holdet genopfinde konceptet med en flexure.

Flexure-elementer

Flexure-elementer er eftergivelige mekaniske elementer, der kan fungere som aktuatorer. En aktuator er en enhed, der kan omdanne en form for energi til en kontrollerbar respons. De findes i de fleste robotter i en eller anden form, og forbedring af disse enheder har en umiddelbar effekt. Nogle aktuatorer omdanner varme, tryk, elektricitet og magnetisk energi.
Flexure-elementer er fjederlignende enheder, der udnytter en stiv struktur til at fungere som aktuatorer. De er populære i robotter, fordi de kan justeres for at levere mikropræcise bevægelser. Disse aktuatorer er små og letvægtige, hvilket gør dem ideelle til sådanne opgaver.

Biohybride flexure-elementer

MIT-ingeniørerne brugte en kombination af nye materialer og design for at opnå bedre ydeevne fra deres skabelse. For eksempel lavede de et tyndere flexure-design, der fungerer som et skelet. Flexure’en har en pind, der er forbundet til basislaget i hvert hjørne. Der er også jord-, kam-, mobil- og monteringspinde.
Flere rektangler inden i hinanden blev designet til at skabe præcis muskelspænding efter behov. Ingeniørerne bandt derefter muskelbånd specifikt for at give nøjagtige sammentrækninger. Holdet gennemførte en række tests og indsamlede data. Bemærkelsesværdigt var resultaterne øjenåbnende, idet enheden forbedrede alle krav. Derudover kan dataene hjælpe med at skabe de første fremstillingsstandarder i den bløde robotindustri.

Testning

Rapporten beskrev, hvordan forskerne udviklede en ny metode til dynamisk justering af muskelkontraktion for at forbedre ydeevnen af deres biohybride aktuator. Testningen startede med at måle afstanden mellem stolperne. Herefter blev flexure’en strakt og reagerede fem gange.
Den frekvensuafhængige testning gjorde det muligt for forskerne præcist at fastslå, hvornår muskeltræthed havde påvirket ydeevnen. Denne justering gjorde dem også i stand til at opnå maksimal udholdenhed fra deres kreationer og trykteste deres kapaciteter. Den mere intense testning viste interessante resultater. For eksempel afslørede den, at højere intervaller udbrændte muskelfibrene hurtigere.

Justerbarhed

Ingeniørerne ændrede flexure‑kraften ved at justere, hvor tynde eller hvor langt fra hinanden de bjælker, der forbinder baserne, er placeret. Layoutet blev designet til at optimere musklens naturlige bevægelse og kombinere den med flexure‑stivheden og bevægelsesgraden. Bemærkelsesværdigt er den nye biohybride flexor den mest kraftfulde og præcise indtil nu.
Den kan bøje og strække med nanometerpræcision, hvilket gør den ideel til mikrorobotik. Derudover giver den øgede slaglængde højere ydeevne og pålidelighed. Disse faktorer har hjulpet forskningsteamet med at få større interesse for deres resultater.

Skeletale muskelvæv

MIT-holdet undersøgte forskellige muskeltyper, før de besluttede sig for deres endelige valg. Muskelvæv fra mus blev valgt på grund af dets tilgængelighed, overkommelige pris og evne til at vokse i et laboratorium. Den resulterende muskelfiber var pålidelig og hjalp med at drive projektet mod succes ifølge forskerne.

Muskel fibre vs syntetiske aktuatorer

Muskel fibre er fremragende til at omdanne mekanisk og elektrisk energi til kontrollerbare handlinger. Derfor giver det mening, at robotteknikere søger at efterligne disse fordele. Sammenlignet med traditionelle aktuatorer muliggør biohybride aktuatorer ultrapræcis bevægelse. De tilbyder en kombination af styrke, effektivitet og tilpasningsevne, som fortsat gør dem til et diskussionsemne.
Derudover bruger disse enheder mindre energi til drift, giver bedre sporbarhed af kapaciteter og kan være meget mindre. De vigtigste faktorer, der bestemmer en aktuators kvalitet, er dens evne til at levere pålidelige resultater, holdbarhed, nøjagtighed og kraftkapacitet. Muskelfiberaktuatorer fortsætter med at vise lovende potentiale som den ideelle løsning for markedet.

Biohybride robotter

Tanken om robotter, der bruger organisk materiale, kan synes som noget fra en sci‑fi‑thriller. Men biohybride robotter har allerede eksisteret i over et årti. Disse maskiner kombinerer naturlige elementer, såsom muskel fibre, med robotfunktioner for at skabe imponerende resultater.
Allerede findes der robotter, der bruger muskelbaserede aktuatorer til at efterligne komplekse menneskelige opgaver som svømning eller dans. Disse “bløde robotter” udnytter et kunstigt skelet for struktur og stabilitet. Denne tilgang gør det muligt for ingeniører at skabe mere artikulerede og præcise bevægelser, der kan matche en menneskehånds finhed.

Typer af biohybride robotter

• Microorganiske robotter er indbygget i eller udnytter cellekomponenter til at udføre opgaver. De er utroligt små, hvilket gør dem ideelle til opgaver, der kræver ekstrem præcision. Som sådan kunne disse mikroskopiske robotter en dag hjælpe dig med at hele eller udføre sundhedsskanninger af den luft, du indånder.
• Tissue‑baserede robotter udnytter muskel fibre og andet væv dyrket i laboratoriet. Disse enheder kan være en game‑changer inden for proteser. Forestil dig en robot, der hjælper blinde mennesker med at se eller amputerede med at gå. Derudover sænker kombinationen af biologisk væv med robotteknik omkostningerne for små gentagne opgaver og muliggør selvhelende maskiner.
• Skelet‑baserede robotter bruger en bio‑baseret skeletstruktur, der gør dem ideelle til at efterligne visse naturlige bevægelser. Gå, hoppe og danse er alle eksempler på naturlige bevægelser, som skelet‑baserede robotter fortsat mestrer.

Udfordringer for bløde robotter

Et af de største problemer, som bløde robotingeniører står over for, er en fuldstændig mangel på ensartede design‑ og modelleringsværktøjer. Denne mangel på standardisering har fået industrien til at spredes i alle retninger, med meget arbejde tabt i gentagelse af lignende opgaver. Derudover tilføjer den uforudsigelige natur af biologiske elementer en ekstra variabel, som ingeniørerne skal håndtere.

Duplikationsproblemer

I modsætning til maskinfremstillede dele, der kan garanteres at være identiske hver gang, kan laboratoriedyrkede muskelceller opføre sig forskelligt. For eksempel ved du, at musklen vil trække sig sammen, hvis den strækkes, men at opnå det samme resultat hver gang uden at nå fejl er nøglen.
Derfor er det kompliceret at skabe biologiske komponenter, der leverer den samme ydeevne. Interessant nok kan fremskridt inden for 3D‑vævsprintning åbne døren for at løse dette problem i fremtiden.

Standarder

Succes med dette projekt kan hjælpe med at fastsætte nogle universelle standarder i den biohybride robotsektor. I øjeblikket er der mange forskellige projekter, der bruger forskellige opsætninger for at opnå det samme mål. Den seneste innovation blev designet til at være en universel bio‑mekanisk aktuator.
Denne tilgang gør det muligt for robotingeniører at bruge disse enheder, når det er nødvendigt, og reducere udviklingstiden. Derudover kan disse komponenter kombineres med andre muligheder for at understøtte enhver type robotisk skeletstruktur. Denne model gør det muligt for ingeniører at skabe komplekse biohybrider, der kan justeres til at tjene specifikke roller.

MIT‑ingeniører

Teamet af ingeniører bag dette fordelagtige projekt inkluderer Ritu Raman, Alex d’Arbeloff, Naomi Lynch, Tara Sheehan, Nicolas Castro, Laura Rosado, Brandon Rios og professor i maskinteknik Martin Culpepper. Bemærkelsesværdigt er, at Culpepper er kendt for sine projekter inden for miniature robotmekanismer.
Det er denne erfaring og deres opfindsomhed, der gjorde det muligt for holdet at teste en række forskellige aktuatorer, før de traf deres endelige beslutning. De fandt, at den akkordeon‑lignende indretning gjorde det muligt for muskelvævet at trække sig sammen naturligt, samtidig med at den forstærkede fjederens kraft.

Fordele ved biohybrid‑teknologi

Der er mange grunde til, at ingeniører har søgt at kombinere biologi og robotteknologi. Denne sammensmeltning kan bringe uendeligt potentiale til markedet. Forestil dig robotter, der bliver stærkere, mens de arbejder, eller som kan hele og tilpasse sig efter behov.

Sanseopfattelse

Biohybride robotter integrerer biologi på celleniveau, hvilket betyder, at disse enheder kan udnytte organisk materiale. Naturen er fuld af fantastiske sanseorganer, der kan opdage alt fra retning til elektriske pulser. Ingeniører ønsker at udnytte disse naturlige sensorer for at udvide robotternes kapaciteter.

Hjernegrænseflade

Et andet fokusområde for biohybride ingeniører er at forbedre, hvordan mennesker interagerer med maskiner. For eksempel har Elon Musk brugt betydelige midler på neural‑link‑grænsefladen, som forbinder til hjernens neurale netværk og fortolker kommandoer direkte fra tanker.

Næste generations proteser

Mange ser sundhedssektoren som den, der har mest at vinde på integration af bløde robotter. Tænk på en protese lavet af ægte muskelvæv, som personen kan arbejde med for at forbedre, og som vil efterligne de fornemmelser, de forbinder med lemmen.

Bæredygtighed

En af de største fordele ved biohybrid‑teknologi er evnen til at skabe robotter, der smelter perfekt sammen med deres omgivelser. Disse enheder kunne en dag overvåge miljøet og endda hjælpe med at reparere det. For eksempel kan man forestille sig sensorer, der kan spore og reducere forureningsniveauer.

Fremtidige anvendelsesområder for muskelbaserede aktuatorer

Der er mange fremtidige anvendelsesområder for denne type muskelbaserede aktuator. Disse letvægtige løsninger kan bruges til at drive en ny generation af mikrorobotik. Teorien har vist sig at forbedre effektiviteten. Derfor er der fra avionik til sundhedssektoren stor opmærksomhed på holdets handlinger.

Robotter bliver lettere, mindre og mere præcise

Det giver mening at reducere strømforbrug og vægt. Du får længere levetid og mere kraft ud af dine enheder. Som følge heraf søger flere ingeniører efter strøm‑effektive løsninger, der let kan tilpasses forskellige scenarier. Den biohybride aktuator forener biologi og robotteknologi problemfrit for at forbedre liv, effektivitet og kapaciteter. Af disse grunde er projektet værd at følge med i fremtiden.

Du kan lære mere om spændende udviklinger inden for robotteknologi her.