Muskelbasierte Aktuatoren könnten das Potenzial robotischer Lösungen maximieren

Eine Gruppe innovativer Ingenieure vom MIT hat gerade muskelbasierte Aktuatoren entwickelt, die die Robotik revolutionieren könnten. Die kreativen Köpfe kombinierten einen speziell entworfenen monodirektionalen Aktuator mit im Labor gezüchteten Muskelzellen. Diese Struktur ermöglichte es dem Gerät, leicht zu sein und die Leistung zu steigern. So könnte dieser neue muskelbasierte Aktuator künftig Roboter antreiben.

Bio-Flexuren Muskelbasierte Aktuatoren

Ein Paper, das in der Zeitschrift Advanced Intelligent Systems veröffentlicht wurde, erklärt, wie ein neuer Typ von Bio-Flexur wiederholbare und zuverlässige Ergebnisse liefern kann, die vielfach effizienter sind als ein vorheriger Versuch. Um diese Aufgabe zu bewältigen, musste das Team das Konzept einer Flexur neu erfinden.

Flexuren

Flexuren sind nachgiebige mechanische Elemente, die als Aktuatoren fungieren können. Ein Aktuator ist ein Gerät, das eine Energieform in eine steuerbare Reaktion umwandelt. Sie finden sich in den meisten Robotern in irgendeiner Form, und Verbesserungen dieser Geräte haben sofortige Auswirkungen. Einige Aktuatoren wandeln Wärme, Druck, Elektrizität und magnetische Energie um.

Flexuren sind federähnliche Vorrichtungen, die eine starre Struktur nutzen, um als Aktuatoren zu wirken. Sie sind in Robotern beliebt, weil sie so eingestellt werden können, dass sie mikrogenaue Bewegungen ermöglichen. Diese Aktuatoren sind klein und leicht, was sie für diese Aufgaben ideal macht.

Biohybride Flexuren

Die MIT-Ingenieure nutzten eine Kombination aus neuen Materialien und Design, um eine bessere Leistung ihrer Erfindung zu ermöglichen. Zum Beispiel entwickelten sie ein dünneres Flexur-Design, das wie ein Skelett wirkt. Die Flexur verfügt über einen Stift, der an jeder Ecke mit der Basisschicht verbunden ist. Es gibt außerdem Grund-, Nocken-, Mobil- und Montage-Stifte.

Mehrere ineinander verschachtelte Rechtecke wurden entworfen, um bei Bedarf exakt Muskelspannung zu erzeugen. Die Ingenieure banden dann Muskelbänder gezielt, um präzise Kontraktionen zu ermöglichen. Das Team führte anschließend eine Reihe von Tests durch und erfasste die Daten. Bemerkenswerterweise waren die Ergebnisse aufschlussreich, da das Gerät in allen Anforderungen Verbesserungen zeigte. Zusätzlich könnten die Daten dazu beitragen, die ersten Fertigungsstandards in der Soft‑Robotik‑Industrie zu schaffen.

Tests

Der Bericht erläuterte, wie die Forscher eine neue Methode zur dynamischen Abstimmung der Muskelkontraktion entwickelten, um die Leistung ihres biohybriden Aktuators zu verbessern. Die Tests begannen mit der Messung des Abstands zwischen den Pfosten. Anschließend wurde die Flexur gedehnt und reagierte fünfmal.

Diese frequenzunabhängigen Tests ermöglichten es den Forschern, genau zu bestimmen, wann Muskelermüdung die Leistung beeinträchtigte. Diese Abstimmung ermöglichte es ihnen zudem, maximale Ausdauer aus ihren Kreationen zu erzielen und ihre Fähigkeiten einem Drucktest zu unterziehen. Die intensiveren Tests zeigten interessante Ergebnisse. Zum Beispiel wurde festgestellt, dass höhere Intervalle die Muskelfasern schneller erschöpfen.

Verstellbarkeit

Die Ingenieure veränderten die Kraft der Flexur, indem sie die Dicke oder den Abstand der Balken, die mit den Basen verbunden sind, anpassten. Das Layout wurde entwickelt, um die natürliche Bewegung des Muskels zu optimieren und sie mit der Steifigkeit und dem Bewegungsgrad der Flexur zu kombinieren. Bemerkenswerterweise ist der neue biohybride Flexor bisher der leistungsstärkste und genaueste.

Er kann sich mit Nanometerpräzision biegen und strecken, was ihn ideal für Mikrorobotik macht. Darüber hinaus liefert der erhöhte Hub eine höhere Leistung und Zuverlässigkeit. Diese Faktoren haben dem Forschungsteam geholfen, mehr Interesse an ihren Ergebnissen zu gewinnen.

Skelettale Muskelgewebe

Das MIT-Team untersuchte verschiedene Muskeltypen, bevor es sich für die endgültige Option entschied. Mausmuskelgewebe wurde wegen seiner Verfügbarkeit, Erschwinglichkeit und seiner Fähigkeit, im Labor zu wachsen, ausgewählt. Die resultierende Muskelfaser war zuverlässig und trug laut den Forschern zum Erfolg des Projekts bei.

Muskelfasern vs. synthetische Aktuatoren

Muskelfasern sind hervorragend darin, mechanische und elektrische Energie in kontrollierbare Aktionen umzuwandeln. Daher ist es logisch, dass Robotik‑Ingenieure versuchen, diese Vorteile zu reproduzieren. Im Vergleich zu herkömmlichen Aktuatoren ermöglichen biohybride Aktuatoren ultrapräzise Bewegungen. Sie bieten eine Kombination aus Stärke, Effizienz und Anpassungsfähigkeit, die sie weiterhin zu einem Diskussionsthema macht.

Zusätzlich verbrauchen diese Geräte weniger Energie, bieten eine bessere Nachverfolgbarkeit der Fähigkeiten und können viel kleiner sein. Die wichtigsten Faktoren, die die Qualität eines Aktuators bestimmen, sind seine Fähigkeit, zuverlässige Ergebnisse zu liefern, seine Haltbarkeit, Genauigkeit und Kraftfähigkeit. Muskelfaser‑Aktuatoren zeigen weiterhin vielversprechende Ansätze als ideale Lösung für den Markt.

Biohybride Roboter

Die Vorstellung von Robotern, die organisches Material verwenden, mag wie aus einem Sci‑Fi‑Thriller klingen. Dennoch gibt es biohybride Roboter bereits seit über einem Jahrzehnt. Diese Maschinen kombinieren natürliche Elemente, wie Muskelfasern, mit Roboterfunktionen, um beeindruckende Ergebnisse zu erzielen.

Bereits gibt es Roboter, die muskelbasierte Aktuatoren verwenden, um komplexe menschliche Aufgaben wie Schwimmen oder Tanzen zu imitieren. Diese „Soft‑Roboter“ nutzen ein künstliches Skelett für Struktur und Stabilität. Dieser Ansatz ermöglicht es Ingenieuren, artikuliertere und präzisere Bewegungen zu erzeugen, die die Feinheit einer menschlichen Hand nachahmen können.

Arten von biohybriden Robotern

Heute gibt es viele verschiedene Arten von biohybriden Robotern im Einsatz. Diese Geräte sind so vielfältig wie die Welt um uns herum. Die drei Hauptkategorien sind jedoch Mikroorganismen, Gewebe und Skelett.

• Mikroorganische Roboter sind in Zellen eingebaut oder nutzen Zellkomponenten, um Aufgaben zu erfüllen. Sie sind unglaublich winzig, was sie ideal für Aufgaben macht, die außergewöhnliche Präzision erfordern. Daher könnten diese winzigen Roboter eines Tages bei der Heilung helfen oder Gesundheitsanalysen der von Ihnen eingeatmeten Luft durchführen.
• Gewebe-basierte Bots nutzen Muskelfasern und anderes im Labor gezüchtetes Gewebe. Diese Geräte könnten im Bereich der Prothetik ein Wendepunkt sein. Stellen Sie sich einen Roboter vor, der blinden Menschen das Sehen ermöglicht oder Amputierten das Gehen erleichtert. Darüber hinaus senkt die Kombination von biologischem Gewebe mit Robotik die Kosten für kleine repetitive Aufgaben und ermöglicht selbstheilende Maschinen.
• Skelett-basierte Roboter verwenden eine bio-basierte Skelettstruktur, die sie ideal macht, bestimmte natürliche Bewegungen zu imitieren. Gehen, Springen und Tanzen sind Beispiele für natürliche Bewegungen, die skelett-basierte Roboter weiterhin meistern.

Herausforderungen für Soft‑Roboter

Ein Hauptproblem, dem Soft‑Roboter‑Ingenieure gegenüberstehen, ist das völlige Fehlen einheitlicher Design‑ und Modellierungswerkzeuge. Dieser Mangel an Standardisierung hat die Branche in alle Richtungen zerstreut, wobei viel Aufwand durch das Wiederholen ähnlicher Aufgaben verloren geht. Zudem fügt die unvorhersehbare Natur biologischer Elemente eine weitere Variable hinzu, mit der Ingenieure umgehen müssen.

Duplikationsprobleme

Im Gegensatz zu bearbeiteten Teilen, die jedes Mal identisch sein können, können im Labor gezogene Muskelzellen unterschiedlich reagieren. Zum Beispiel weiß man, dass der Muskel bei Dehnung kontrahiert, aber jedes Mal das gleiche Ergebnis zu erzielen, ohne einen Ausfall zu erreichen, ist entscheidend.

Daher ist es kompliziert, biologische Komponenten zu schaffen, die dieselbe Leistung erbringen. Interessanterweise könnten Fortschritte im 3‑D‑Gewebe‑Druck die Tür zur Lösung dieses Problems in der Zukunft öffnen.

Standards

Der Erfolg dieses Vorhabens könnte helfen, einige universelle Standards im Bereich der biohybriden Robotik zu setzen. Derzeit gibt es viele verschiedene Projekte, die unterschiedliche Aufbauten verwenden, um dasselbe Ziel zu erreichen. Die neueste Innovation wurde als universeller bio‑mechanischer Aktuator konzipiert.

Dieser Ansatz ermöglicht es Robotik‑Ingenieuren, diese Geräte bei Bedarf zu nutzen und die Entwicklungszeit zu verkürzen. Darüber hinaus können diese Vorrichtungen mit anderen Optionen kombiniert werden, um jede Art von robotischem Skelett zu unterstützen. Dieses Modell ermöglicht es Ingenieuren, komplexe Biohybride zu erstellen, die für spezifische Rollen abgestimmt werden können.

MIT‑Ingenieure

Das Team von Ingenieuren hinter diesem vielversprechenden Projekt umfasst Ritu Raman, Alex d’Arbeloff, Naomi Lynch, Tara Sheehan, Nicolas Castro, Laura Rosado, Brandon Rios und den Professor für Maschinenbau Martin Culpepper. Besonders ist Culpepper für seine Arbeiten an Miniatur‑Roboter‑Mechanismen bekannt.

Diese Erfahrung und ihr Einfallsreichtum ermöglichten es dem Team, eine Vielzahl von Aktuatoren zu testen, bevor sie ihre endgültige Entscheidung trafen. Sie stellten fest, dass die Akkordeon‑artige Vorrichtung das Muskelgewebe natürlich kontrahieren ließ und gleichzeitig die Federkraft verstärkte.

Vorteile der Biohybrid‑Technologie

Es gibt viele Gründe, warum Ingenieure versuchen, Biologie und Robotik zu kombinieren. Diese Fusion könnte dem Markt unbegrenztes Potenzial bringen. Stellen Sie sich Roboter vor, die mit der Arbeit stärker werden oder sich bei Bedarf heilen und anpassen können.

Sensorische Wahrnehmung

Biohybride Roboter integrieren Biologie auf zellulärer Ebene, was bedeutet, dass diese Geräte organisches Material nutzen können. Die Natur ist voller erstaunlicher Sinnesorgane, die alles von Richtung bis zu elektrischen Impulsen erkennen können. Ingenieure wollen diese natürlichen Sensoren anzapfen, um die Fähigkeiten von Robotern zu erweitern.

Gehirnschnittstelle

Ein weiterer Schwerpunkt für Biohybrid‑Ingenieure ist die Verbesserung der Interaktion von Menschen mit Maschinen. Zum Beispiel hat Elon Musk erhebliche Mittel in die Neural‑Link‑Schnittstelle investiert, die sich mit dem neuronalen Netzwerk des Gehirns verbindet und Befehle direkt aus Gedanken interpretiert.

Prothesen der nächsten Generation

Viele Menschen sehen das Gesundheitswesen als den Sektor, der am meisten von der Integration von Soft‑Robotern profitiert. Stellen Sie sich eine Prothese aus echtem Muskelgewebe vor, die der Nutzer aktiv verbessern kann und die die Empfindungen, die mit dem Gliedmaß verbunden sind, nachbildet.

Nachhaltigkeit

Einer der größten Vorteile der Biohybrid‑Technologie ist die Fähigkeit, Roboter zu schaffen, die sich perfekt in ihre Umgebung einfügen. Diese Geräte könnten eines Tages die Umwelt überwachen und sogar bei deren Reparatur helfen. Zum Beispiel könnten Sensoren entwickelt werden, die Schadstoffwerte erfassen und reduzieren.

Zukünftige Anwendungsfälle für muskelbasierte Aktuatoren

Es gibt viele zukünftige Anwendungsfälle für diesen Typ muskelbasierter Aktuatoren. Diese leichten Lösungen könnten verwendet werden, um eine neue Generation von Mikrorobotik anzutreiben. Die Theorie hat sich als effizientitätssteigernd erwiesen. Daher gibt es von der Avionik bis zum Gesundheitswesen viel Aufmerksamkeit für die Arbeiten des Teams.

Roboter werden leichter, kleiner und genauer

Eine Reduzierung des Energieverbrauchs und des Gewichts ist sinnvoll. So erhalten Sie mehr Lebensdauer und Leistung aus Ihren Geräten. Folglich suchen immer mehr Ingenieure nach energieeffizienten Optionen, die sich leicht an verschiedene Szenarien anpassen lassen. Der biohybride Aktuator verbindet Biologie und Robotik nahtlos, um das Leben, die Effizienz und die Fähigkeiten zu verbessern. Aus diesen Gründen ist das Projekt künftig weiter zu beobachten.

Sie können mehr über spannende Entwicklungen in der Robotik hier erfahren.