Μυς Υπερηχούς: Το Μέλλον της Μαλακής Ρομποτικής

Κατασκευή Μυών Ελεγχόμενων με Ήχο

Για το μεγαλύτερο μέρος της ιστορίας, η μηχανική ενέργεια παρείχαν οι μύες, είτε ανθρώπινοι είτε ζωικοί. Μόνο με την έναρξη της Βιομηχανικής Επανάστασης μπορούσε να αξιοποιηθεί ενέργεια από τον άνεμο (ανεμόμυλοι), το νερό (υδρομύλοι και φράγματα) και την καύση (ατμομηχανές, κινητήρες καύσης).

Ωστόσο, αυτά τα μηχανικά συστήματα ήταν πάντα κάπως κατώτερα από τη φυσική κίνηση, απαιτώντας σύνθετα συστήματα και συντήρηση για να επιτύχουν σχετικά περιορισμένη ελευθερία κίνησης σε σύγκριση.

Αυτό εξακολουθεί να αποτελεί πρόβλημα για τα ρομπότ, τα οποία τείνουν να απαιτούν πολύπλοκες διατάξεις ηλεκτρικών μοτέρ και προηγμένο λογισμικό για να παραμείνουν όρθια. Το ζήτημα είναι γενικά η δημιουργία μιας πλήρως ελεγχόμενης και επαρκώς ευέλικτης κίνησης.

Έτσι, καθώς ο μυς αποτελεί έναν τόσο ανώτερο τρόπο παραγωγής κίνησης, οι επιστήμονες έχουν προσπαθήσει να δημιουργήσουν μια τεχνητή εκδοχή του, η οποία θα μπορούσε να τροφοδοτείται από ηλεκτρισμό. Μέχρι τώρα, τα προτεινόμενα υλικά είχαν πάντα ελλείψεις στην απόδοση, το κόστος ή τη μέθοδο κατασκευής.

Αυτό μπορεί να αλλάξει, χάρη σε ένα νέο σχεδιασμό τεχνητού μυός που προτάθηκε από ερευνητές του ETH Zürich (Ελβετία), του Πανεπιστημίου Münster (Γερμανία) και του Πανεπιστημίου Nebraska‑Lincoln (ΗΠΑ).

Δημοσίευσαν στο αξιόλογο επιστημονικό περιοδικό Nature¹, με τίτλο “Τεχνητοί μύες προγραμματιζόμενοι με υπερήχους”.

Πώς Λειτουργούν οι Μύες που Τροφοδοτούνται από Υπερήχους

Οι μύες λειτουργούν αυξάνοντας ή μειώνοντας το μήκος του μυός, τραβώντας το οστό στο οποίο είναι συνδεδεμένοι.

Οι τεχνητοί μύες μέχρι τώρα έχουν προσπαθήσει να αναπαράγουν αυτή την ιδέα με πολλαπλούς τύπους υλικών:

• Ανθρακικοί νανοσωλήνες
• Κράτημα σχήματος κράματα
• Πνευματικά (αέρα) ή υδραυλικά συστήματα

Αυτά τα συστήματα υπέφεραν όλα από έλλειψη αξιοπιστίας, ακριβή έλεγχο, υψηλή κατανάλωση ενέργειας ή υπερβολικό κόστος.

“Οι χημικές μέθοδοι συχνά απαιτούν καύσιμα που μπορεί να είναι τοξικά, τα συστήματα βασισμένα στο φως αντιμετωπίζουν περιορισμένη διείσδυση στους ιστούς και πιθανή θερμική βλάβη, ενώ τα μαγνητικά συστήματα απαιτούν ογκώδες υλικό και ενέχουν κίνδυνο θέρμανσης Joule.”

Οι ερευνητές σε αυτή τη μελέτη πήγαν σε μια νέα και διαφορετική κατεύθυνση για τον έλεγχο του τεχνητού μυός: ήχους.

Τα Πλεονεκτήματα των Υπερήχων

Είτε για εφαρμογές στη ρομποτική είτε σε βιοϊατρικές εμφυτεύσεις, οι υπέρηχοι έχουν το πλεονέκτημα ότι είναι μια εύκολη στη δημιουργία μέθοδο ελέγχου που είναι εντελώς μη καταστροφική.

Οι υπέρηχοι είναι επίσης ασύρματοι, απομακρυσμένοι, περνούν αβλαβώς μέσω εξωτερικών στρωμάτων (συμπεριλαμβανομένων των οργανικών ιστών) και έχουν υψηλή χωρική επιλεκτικότητα (στόχευση).

Είναι επίσης μια τεχνολογία που χρησιμοποιείται συνήθως σε χαμηλό κόστος, ακόμη και σε κλινικό περιβάλλον.

Συνολικά, οι υπέρηχοι είναι ιδανικοί για βιοϊατρικές και ενδοζώνες εφαρμογές, αλλά μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε άλλους τομείς όπως η ρομποτική, ιδιαίτερα η λεγόμενη μαλακή ρομποτική.

Οι υπέρηχοι γίνονται ολοένα και πιο δημοφιλείς μεταξύ των ερευνητών, οι οποίοι τους χρησιμοποιούν για να τροφοδοτούν ιατρικές εμφυτεύσεις ασύρματα, για βιοεκτύπωση ζωντανών ιστών, και για βιοπαρακολούθηση.

Υλικά Μικροφυσαλίδων σε Τεχνητούς Μύες

Σε αυτή τη μελέτη, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα υλικό που περιέχει μια ακριβώς κατασκευασμένη διάταξη μικροφυσαλίδων, οι οποίες, όταν εκτίθενται στη σωστή αντήχηση των υπερήχων, κάνουν το υλικό να λυγίζει.

Πηγή: Nature

Με την αλλαγή του μεγέθους της διάταξης των μικροφυσαλίδων, μπορεί να αλλάξει η συχνότητα των υπερήχων στην οποία αντιδρά ένα συγκεκριμένο τμήμα του υλικού.

Πηγή: Nature

Μέχρι τώρα, η δύναμη που παράγεται από τους υπερήχους σε τεχνητό μυ είναι πολύ αδύναμη για πρακτικές εφαρμογές. Ωστόσο, αυτός ο νέος σχεδιασμός είναι πολύ πιο ισχυρός (7,6 μN/mm²), φέρνοντας ένα τέτοιο concept στην κορυφή των πιθανών υλικών τεχνητών μυών.

Δημιουργήθηκε καλούπι υψηλής ανάλυσης με διατάξεις μικροπυλώνων, σχεδιασμένο σε πυριτίου δίσκο με χρήση μαλακής λιθογραφίας, για να λειτουργήσει ως αρνητικό καλούπι για κυλινδρικές μικροκοιλότητες.

Στη συνέχεια, μια λεπτή στρώση πολυδιμεθυλοσιλόξυ (PDMS) επικάλυψε τον δίσκο με περιστροφική επικάλυψη, δημιουργώντας το επιθυμητό υλικό μικροφυσαλίδων.

Το τελικό υλικό σχημάτισε έναν τεχνητό μυ (3 cm × 0,5 cm × 80 μm), ο οποίος περιέχει πάνω από 10.000 ομοιόμορφες μικροφυσαλίδες μέσα σε κοιλότητες (διάμετρος 40 μm, βάθος 50 μm).

Δημιουργία Ελεγχόμενης Κίνησης με Υπερήχους

Επειδή διαφορετικά τμήματα του υλικού αντιδρούν σε διαφορετικές συχνότητες, η διαμόρφωση των υπερήχων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ακριβώς ελεγχόμενης κυματιστικής κίνησης, για παράδειγμα. Οι ερευνητές επίσης έλεγξαν τις αλληλεπιδράσεις του υλικού με τον πραγματικό κόσμο, χρησιμοποιώντας το για να παγιδεύσουν ένα υγρό νυμφάκι ψαριού, να περιστρέψουν ένα αμύγδαλο ή να μετακινήσουν ένα φύλλο γρασιδιού. Επίσης έδειξαν ότι η μέθοδος ήταν ακίνδυνη για ζωντανά οργανισμούς, χωρίς θέρμανση ή αρνητικές επιδράσεις από τους υπερήχους.

Οι ερευνητές στη συνέχεια έλεγξαν αν το υλικό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την προσκόλληση και κίνηση οργανικών ιστών. Για να το κάνουν αυτό, το δοκίμασαν με καρδιά χοίρου. Οι υπερήχως‑ελεγχόμενοι ενεργοποιητές παρέμειναν προσκολλημένοι και συνέχισαν να κινούνται, μεταφέροντας δύναμη στον ιστό.

Πηγή: Nature

Δοκίμασαν επίσης το δυναμικό του υλικού για χορήγηση φαρμάκων, με τους υπερήχους να χρησιμοποιούνται ως σκανδάλη για την απελευθέρωση του υλικού από την μικροφυσαλίδα.

Κίνηση Ρομπότ In‑Vivo

Τέλος, η έρευνα δημιούργησε ένα «μικρό ρομπότ σαλάχι» του οποίου οι κυματισμοί μπορούν να ελέγχουν την κίνηση σε υγρό περιβάλλον.

Πηγή: Nature

Στη συνέχεια, δοκίμασαν με επιτυχία την κίνηση του ρομπότ σαλαχιού στο στομάχι και το έντερο ενός χοίρου.

Μετά την απελευθέρωση, το ρομπότ σαλαχιού προωθείται μπροστά με αρχική ταχύτητα περίπου 0,8 μήκη σώματος ανά δευτερόλεπτο, δείχνοντας την ικανότητα του συστήματος να κινείται μέσα στα εσωτερικά όργανα ενός ζώου.

Πηγή: Nature

Συνολικά, αυτά τα πειράματα επιβεβαίωσαν το δυναμικό του υλικού για ενδοζώνες χρήσεις ασύρματων και φορητών συσκευών.

Εφαρμογές

Η μελέτη εστιάστηκε στις πιθανές βιοϊατρικές εφαρμογές, καθώς αυτή θα μπορούσε να είναι η πιο άμεση εφαρμογή της τεχνολογίας. Η μαλακή ρομποτική χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο για την ενσωμάτωση υλικών στην ιατρική, π.χ., για την παράδοση αντικαρκινικών φαρμάκων ή άλλων θεραπειών στο σωστό όργανο.

Αυτή η μέθοδος μπορεί επίσης να επεκταθεί σε μεγαλύτερα κομμάτια, τουλάχιστον μέχρι την κλίμακα του εκατοστού, και με πολλούς βαθμούς ελευθερίας κίνησης.

Έτσι, στο μέλλον, τέτοιοι τεχνητοί μύες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για ρομποτική, ευέλικτα ηλεκτρονικά, φορητές τεχνολογίες, προθέσεις, βιοϊατρικό εξοπλισμό κ.λπ.

• Φαίνεται ότι οι συγκλίνουσες τραπεζοειδείς κοιλότητες θα μπορούσαν να παράγουν περίπου 3 φορές μεγαλύτερες ταχύτητες ροής από τις αποκλίνουσες μορφές. Έτσι, η γεωμετρική και η πυκνότητα βελτιστοποίηση θα μπορούσαν να δημιουργήσουν ενεργοποιητές με προσαρμοσμένα προφίλ παραμόρφωσης.
• Μια συγκεντρωτική πηγή ήχου θα μπορούσε να επιτύχει ισχυρότερη παραμόρφωση και πιο ακριβή στόχευση ενός συγκεκριμένου τμήματος του τεχνητού μυός.
• Τα υδρογέλες και τα βιοδιασπώμενα πολυμερή θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για περισσότερες βιοϊατρικές εφαρμογές.

Σύρετε για κύλιση →

Επένδυση στην ΥγείαΤεχ 

Η Philips είναι μια γνωστή μικρή καταναλωτική μάρκα ηλεκτρονικών (ξυριστικά, ηλεκτρικές οδοντόβουρτσες), εξίσου ενεργή στον τομέα της υγειονομικής περίθαλψης. Για παράδειγμα, ήταν η #1 στην κατάθεση πατεντών MedTech στην Ευρώπη το 2022 και στις τρεις κορυφαίες τα επόμενα χρόνια.

Είναι ενεργή σε συνδεδεμένα ιατρικά προϊόντα, από φορητές συσκευές μέχρι απεικόνιση, αναπνευστήρες και ιατρικά ρομπότ.

Η εταιρεία είναι επίσης ενεργή στα ημιαγωγούς (συμπεριλαμβανομένης της τεχνολογίας μαγνητικού αιώρησης) και στην υψηλή τεχνολογία/ρομποτική/αυτοματοποίηση, με κάθε δραστηριότητα να μοιράζεται μια κοινή τεχνολογική βάση.

Πηγή: Philips

Η Philips προσφέρει φορητές συσκευές για καρδιακά, αναπνευστικά και μετρικά δραστηριότητας. Οι αισθητήρες της μπορούν να ενσωματωθούν σε έξυπνα ρολόγια, παρακολουθητές υγείας, ιατρικές επιθέσεις και ιχνηλάτες δραστηριότητας.

Η εξειδίκευση της Philips σε βιοσυμβατά αισθητήρια, ημιαγωγούς και ασύρματες λύσεις θα μπορούσε να την καθιστά ηγέτη σε προηγμένες ιατρικές εμφυτεύσεις που αξιοποιούν τους υπερήχους.

Για ιατρικές συσκευές, η Philips προτιμά μια λύση συνεργασίας, όπου αναπτύσσει για τρίτους τις συνδεδεμένες ιατρικές συσκευές IoT (Internet of Things) πλήρως συμβατές με τις υπόλοιπες λύσεις της Philips. Σε αυτό το πλαίσιο, προσφέρει στους πελάτες της πρωτοτυπία, συμβουλές κανονισμών, ολοκληρωμένη ανάπτυξη προϊόντων και παραγωγή βιομηχανικής κλίμακας.

Αυτό καθιστά την Philips μια εταιρεία με τεχνολογική προσανατολισμό και πιθανό υποψήφιο για γρήγορη ενσωμάτωση νέων καινοτομιών σε ήδη υπάρχουσες ιατρικές συσκευές. Συνολικά, οι συσκευές της Philips επηρέαζαν άμεσα πάνω από 1,8 δισεκατομμύρια ανθρώπους.

Η εταιρεία επιδιώκει να δημιουργήσει ένα πλήρως ενσωματωμένο ψηφιακό περιβάλλον υγειονομικής περίθαλψης, όπου οι αισθητήρες ταιριάζουν με τις συσκευές, και στη συνέχεια να χρησιμοποιήσει πολλαπλές λύσεις συνδεσιμότητας για ενσωμάτωση στην λύση Philips HealthSuite Cloud και να επιτρέψει λεπτομερή ανάλυση δεδομένων.

Πηγή: Philips

Ως προμηθευτής της βιομηχανίας MedTech, συχνά κατασκευάζοντας για άλλες μάρκες, η Philips δεν είναι τόσο εμφανής στον τομέα όσο άλλες, πιο γνωστές εταιρείες. Ωστόσο, είναι ειδική στην κατασκευή υψηλής απόδοσης ηλεκτρονικών συσκευών και αισθητήρων, συχνά ωθώντας τα όρια του τι είναι δυνατόν στη δική της εξειδίκευση στην υγειονομική περίθαλψη και τις φορητές συσκευές.

Με τις φορητές συσκευές και τα ιατρικά ηλεκτρονικά να ενσωματώνονται όλο και περισσότερο σε πρωτόκολλα υγειονομικής περίθαλψης, ο τομέας Υγείας της Philips πιθανότατα θα αναπτυχθεί ως μέρος του συγκρότηματος.

Τελευταία Koninklijke Philips N.V.( PHG) Stock News and Developments

Μελέτη Αναφοράς

^{1. Shi, Z., Zhang, Z., Schnermann, J. et al. Τεχνητοί μύες προγραμματιζόμενοι με υπερήχους. Nature 646, 1096–1104 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09650-3}