Ultralydmuskler: Fremtiden for blød robotteknik

Bygning af lydstyrede muskler

For størstedelen af historien blev mekanisk energi leveret af muskler, både menneskelige og dyre. Det var først med industrialiseringens begyndelse, at energi fra vind (vindmøller), vand (vandmøller og dæmninger) og forbrænding (dampmaskiner, forbrændingsmotorer) kunne udnyttes.

Men disse mekaniske systemer var altid noget ringere end naturlig bevægelse, idet de krævede komplekse systemer og vedligeholdelse for at opnå en relativt dårlig bevægelsesfrihed i sammenligning.

Dette er stadig et problem for robotter, som ofte kræver meget komplekse arrays af elektriske motorer og avanceret software for at holde sig oprejst. Problemet er generelt at skabe en fuldt kontrollerbar og tilstrækkeligt fleksibel bevægelse.

Således, da musklen er en så overlegen måde at generere bevægelse på, har forskere kigget på at skabe en kunstig variant, som kan drives af elektricitet. Indtil nu har foreslåede materialer altid været utilstrækkelige med hensyn til ydeevne, omkostninger eller fremstillingsmetode.

Dette kan ændre sig takket være et nyt design af kunstig muskel foreslået af forskere ved ETH Zürich (Schweiz), University of Münster (Tyskland) og University of Nebraska-Lincoln (USA).

De offentliggjorde i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Nature¹, under titlen “Ultralyd-drevne programmerbare kunstige muskler”

Hvordan ultralyd-drevne muskler fungerer

Muskler fungerer ved at øge eller mindske musklens længde, hvilket trækker i den knogle, de er fastgjort til.

Kunstige muskler har indtil nu forsøgt at efterligne denne idé med flere typer materialer:

• Kulstofnanorør
• Formhukommelseslegeringer
• Pneumatik (luft) eller hydrauliske systemer

Disse systemer led alle under enten mangel på pålidelighed, finjusteret kontrol, energiforbrug eller for høje omkostninger.

“Kemiske metoder kræver ofte brændstoffer, der kan være giftige, lydbaserede systemer lider under begrænset vævsgennemtrængning og potentiel termisk skade, og magnetiske systemer kræver omfangsrigt hardware, mens de risikerer Joule-opvarmning.”

Forskerne i denne undersøgelse gik i en ny og anderledes retning for at kontrollere den kunstige muskel: lyd.

Fordelene ved ultralyd

Uanset om det er til anvendelser inden for robotteknik eller biomedicinske implantater, har ultralyd fordelen ved at være en let at skabe kontrolmetode, der er fuldstændig ikke-destruktiv.

Ultralyd er også trådløs, fjernbetjent, passerer harmløst gennem ydre lag (inklusive organisk væv) og har høj rumlig selektivitet (målretning).

Det er også en teknologi, der almindeligvis anvendes til lave omkostninger, også i kliniske omgivelser.

Samlet set er ultralyd perfekt til biomedicinske og in vivo-anvendelser, men kan også bruges i andre felter som robotteknik, især såkaldt blød robotteknik.

Ultralyd er i stigende grad populært blandt forskere, som bruger dem til at forsyne medicinske implantater trådløst, til bioprinte levende væv, og til biomonitorering.

Mikroboblematerialer i kunstige muskler

I denne undersøgelse skabte forskerne et materiale, der indeholder et præcist fremstillet array af mikrobobler, som ved at blive udsat for den rette resonans af ultralyd får materialet til at bøje sig.

Kilde: Nature

Ved at variere størrelsen på mikroboble-arrayet kan man ændre, hvilken ultralydsfrekvens en given sektion af materialet reagerer på.

Kilde: Nature

Indtil nu har den kraft, der genereres af ultralyd i kunstige muskler, været for svag til praktiske anvendelser. Men dette nye design er meget stærkere (7,6 μN/mm²), hvilket bringer et sådant koncept i forgrunden af potentielle kunstige muskelmaterialer.

En højopløsningsform blev skabt med mikropællearry, mønstret på en siliciumskive ved hjælp af blød litografi, for at fungere som negative forme til cylindriske mikrokaviter.

Et tyndt lag af polydimetylsiloxan (PDMS) blev derefter spinbelagt på skiven, hvilket skabte det ønskede mikroboblemateriale.

Det endelige materiale dannede en kunstig muskel (3 cm × 0.5 cm × 80 μm), som indeholder over 10.000 ensartede mikrobobler i hulrum (40 μm i diameter, 50 μm i dybde).

Skabelse af kontrolleret bevægelse med ultralyd

Da forskellige dele af materialet reagerer på forskellige frekvenser, kan modulering af ultralyd bruges til at skabe en præcist kontrolleret bølgebevægelse, for eksempel. Forskerne testede også materialets interaktion med den virkelige verden ved at bruge det til at fange en fiske-larve, rotere en mandel eller flytte et græsstrå. Det demonstrerede også, at metoden var harmløs for levende organismer, uden opvarmning eller negative effekter fra ultralyd.

Forskerne testede derefter, om materialet kunne bruges til at fastgøre og bevæge organisk væv. For at gøre dette testede de det med et svinehjerte. De ultralydstyrede aktuatorer forblev fastgjort og fortsatte med at bevæge sig, hvilket overførte kraft til vævet.

Kilde: Nature

De testede også materialets potentiale for lægemiddellevering, hvor ultralyd blev brugt som udløser for frigivelsen af materialet fra mikroboble-patchen.

Bevægelse af in-vivo robotter

Til sidst skabte forskerne en “mini-stingray bot”, hvis bølger kan styre bevægelsen i et flydende miljø.

Kilde: Nature

De testede derefter med succes bevægelsen af stingray-botten i en svines mave og tarm.

Ved frigivelse driver stingray-botten sig fremad med en indledende hastighed på omkring 0,8 kropslængder per sekund, hvilket demonstrerer systemets evne til at bevæge sig inde i et dyrs indre organer.

Kilde: Nature

Alt i alt bekræftede disse eksperimenter materialets potentiale til in vivo-brug af trådløse og bærbare enheder.

Anvendelser

Undersøgelsen fokuserede på potentielle biomedicinske anvendelser, da dette kunne være den mest ligetil anvendelse af denne teknologi. Blød robotteknik anvendes i stigende grad til at integrere materialer i medicin, for eksempel ved at levere anti-cancer lægemidler eller andre behandlinger til det rette organ.

Denne metode kan også udvides til større stykker, mindst op til centimeter-skala, og med mange frihedsgrader i bevægelse.

Så på sigt kan sådanne kunstige muskler bruges til robotteknik, fleksibel elektronik, bærbar teknologi, proteser, biomedicinsk instrumentation osv.

• Det ser ud til, at konvergerende trapezformede hulrum kan generere cirka 3 gange stærkere strømningshastigheder end divergerende former. Så geometrisk og tæthedsoptimering kan skabe aktuatorer med skræddersyede deformationsprofiler.
• En konfokal lydkilde kunne opnå stærkere deformation og mere præcis målretning af en specifik del af den kunstige muskel.
• Hydrogeler og biologisk nedbrydelige polymerer kunne også anvendes til flere biomedicinske anvendelser.

Swipe for at rulle →

Investering i HealthTech 

Philips er et velkendt forbrugerbrand inden for små elektronikprodukter (barbermaskiner, elektriske tandbørster) og er lige så aktiv inden for sundhedspleje. For eksempel var de nummer 1 for MedTech-patentansøgninger i Europa i 2022 og blandt de top 3 i de følgende år.

De er aktive inden for forbundne medicinske produkter, fra bærbare enheder til billeddannelse, respiratorer og medicinske robotter.

Virksomheden er også aktiv inden for halvledere (inklusive maglev-teknologi) og high-tech/robotteknik/automation, hvor hver aktivitet deler en fælles teknologisk base.

Kilde: Philips

Philips tilbyder bærbare enheder til hjerte-, respirations- og aktivitetsmålinger. Dens sensorer kan integreres i smartwatches, sundhedsovervågere, medicinske patches og aktivitetsmålere.

Philips’ ekspertise inden for biokompatible sensorer, halvledere og trådløse løsninger kan gøre dem til en leder inden for avancerede medicinske implantater, der udnytter ultralyd.

For medicinske enheder foretrækker Philips en partnerskabsløsning, hvor de udvikler for tredjeparter deres forbundne IoT (Internet of Things) medicinske enheder, der er fuldt kompatible med resten af Philips’ løsninger. I den sammenhæng tilbyder de deres kunder prototyping, regulatorisk rådgivning, end-to-end produktudvikling og industriel produktion.

Dette gør Philips til en teknologifokuseret virksomhed og en sandsynlig kandidat til hurtigt at integrere nye innovationer i allerede eksisterende medicinske enheder. I alt påvirkede Philips’ enheder direkte over 1,8 milliarder mennesker.

Virksomheden ønsker at skabe et fuldt integreret digitalt sundhedsplejemiljø, hvor sensorer matcher enheder, og derefter bruge flere forbindelsesløsninger til at integrere i Philips HealthSuite Cloud-løsningen og muliggøre dybdegående dataanalyse.

Kilde: Philips

Som leverandør i MedTech-industrien, ofte fremstillende for andre mærker, er Philips ikke så synlig i sektoren som andre, mere fremtrædende virksomheder. Dog er de eksperter i at bygge højtydende elektroniske enheder og sensorer, ofte skubbe grænserne for, hvad der er muligt inden for deres niche i sundhedspleje og bærbare enheder.

Med bærbare enheder og medicinsk elektronik, der i stigende grad integreres i sundhedspleje og medicinske protokoller, vil Philips’ Healthcare-segment sandsynligvis vokse som en del af konglomeratet.

Seneste Koninklijke Philips N.V.( PHG) Aktienyheder og Udviklinger

Studie refereret

^{1. Shi, Z., Zhang, Z., Schnermann, J. et al. Ultralyd-drevet programmerbare kunstige muskler. Nature 646, 1096–1104 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09650-3}