Lihapohjaiset toimilaitteet voivat maksimoida robottiratkaisujen potentiaalin

A group of innovative engineers from MIT just created muscle-based actuators that could revolutionize robotics. The creative minds combined a specially designed mono-directional actuator with lab-grown muscle cells. This structure enabled the device to be lightweight and enhance performance. Here’s how this new muscle-based actuator could help power robots in the future.

Bioflexuurit lihapohjaiset toimilaitteet

Yksi tutkimus julkaistu Advanced Intelligent Systems -lehdessä selittää, miten uusi bioflexuurityyppi voi tarjota toistettavia ja luotettavia tuloksia, jotka ovat moninkertaisesti tehokkaampia kuin aiempi yritys. Tämän tehtävän suorittamiseksi tiimin täytyi keksiä flexuurikonsepti uudelleen.

Flexuurit

Flexuurit ovat joustavia mekaanisia elementtejä, jotka voivat toimia toimilaitteina. Toimilaitte on laite, joka voi muuntaa jonkin energiamuodon hallittavaksi vasteeksi. Ne löytyvät useimmista roboteista jossain muodossa, ja näiden laitteiden parantamisella on välitön vaikutus. Jotkut toimilaitteet muuntavat lämpöä, painetta, sähköä ja magneettista energiaa.

Flexuurit ovat jousimaisia laitteita, jotka hyödyntävät jäykkää rakennetta toimilaitteina. Ne ovat suosittuja roboteissa, koska niitä voidaan säätää tarjoamaan mikrotarkkuisia liikkeitä. Nämä toimilaitteet ovat pieniä ja kevyitä, mikä tekee niistä ihanteellisia näihin tehtäviin.

Biohybridi-fleksuurit

MIT:n insinöörit käyttivät yhdistelmää uusista materiaaleista ja suunnittelusta parantaakseen luomuksensa suorituskykyä. Esimerkiksi he loivat ohuemman flexuurisuunnittelun, joka toimii kuin luuranko. Flexuurissa on nastat, jotka on yhdistetty pohjakerrokseen jokaisessa kulmassa. Lisäksi on maapinnasta, kammiosta, liikkuvia ja kiinnitysnastoja.

Useita toisiaan sisällä olevia suorakulmioita suunniteltiin luomaan tarkka lihasjännitys tarpeen mukaan. Insinöörit sitosivat lihasnauhat erityisesti tarkkojen supistusten aikaansaamiseksi. Tämä tiimi suoritti sarjan testejä ja tallensi tiedot. Merkittävää on, että tulokset olivat silmiä avaavia, ja laite paransi kaikkia vaatimuksia. Lisäksi tiedot voivat auttaa luomaan ensimmäiset valmistusstandardit pehmeän robotin teollisuudessa.

Testaus

Raportti kuvasi, miten tutkijat loivat uuden lihaksen supistumisen dynaamisen säätötavan parantaakseen biohybridi-toimilaitteensa suorituskykyä. Testaus alkoi mittaamalla pylväiden välistä etäisyyttä. Tämän jälkeen flexuuria venytettiin, ja se reagoi viisi kertaa.

Tämä taajuudesta riippumaton testaus mahdollisti tutkijoiden tarkkaan määrittää, milloin lihasväsymys oli vaikuttanut suorituskykyyn. Tämä säätö myös mahdollisti maksimaalisen kestävyyden saavuttamisen luomuksista ja paine-testauksen niiden kyvyille. Intensiivisempi testaus paljasti mielenkiintoisia tuloksia. Esimerkiksi se osoitti, että suuremmat aikavälit kuluttivat lihassyitä nopeammin.

Säädettävyys

Insinöörit muuttivat flexuurin voimaa säätämällä, kuinka ohuita tai kaukana toisistaan perustuksiin kytkeytyvät palkit ovat. Asettelu suunniteltiin optimoimaan lihaksen luonnollinen liike ja yhdistämään se flexuurin jäykkyyteen ja liikerajaan. Merkittävää on, että uusi biohybridi-flexori on tähän mennessä voimakkain ja tarkin.

Se voi taivuttaa ja venyttää nanometrin tarkkuudella, mikä tekee siitä ihanteellisen mikrorobotiikkaan. Lisäksi lisääntynyt iskuetäisyys tarjoaa korkeamman suorituskyvyn ja luotettavuuden. Nämä tekijät ovat auttaneet tutkimusryhmää saamaan enemmän kiinnostusta löydöksiinsä.

Luustolihaskudos

MIT:n tiimi tutki erilaisia lihastyyppejä ennen lopullisen vaihtoehdon valintaa. Hiiren lihaskudos valittiin sen saatavuuden, edullisuuden ja laboratoriossa kasvattamisen kyvyn vuoksi. Tuloksena syntynyt lihassyä oli luotettava ja auttoi projektia menestykseen tutkijoiden mukaan.

Lihassyyt vs synteettiset toimilaitteet

Lihassyyt ovat erinomaisia muuntamaan mekaanista ja sähköenergiaa hallittaviksi toiminnoiksi. Tästä syystä on järkevää, että robotiikan insinöörit pyrkivät jäljittelemään näitä etuja. Perinteisiin toimilaitteisiin verrattuna biohybridi-toimilaitteet mahdollistavat äärimmäisen tarkan liikkeen. Ne tarjoavat yhdistelmän voimaa, tehokkuutta ja mukautuvuutta, mikä tekee niistä jatkuvan keskustelunaiheen.

Lisäksi nämä laitteet kuluttavat vähemmän energiaa, tarjoavat paremman kyvykkyyden seurattavuuden ja voivat olla paljon pienempiä. Tärkeimmät tekijät, jotka määrittävät toimilaitteen laadun, ovat sen kyky tarjota luotettavia tuloksia, kestävyys, tarkkuus ja voimakyky. Lihassyyt toimilaitteet jatkavat lupaavuuttaan ihanteellisena ratkaisuna markkinoilla.

Biohybridi-robotit

Ajatus roboteista, jotka käyttävät orgaanista materiaalia, saattaa kuulostaa suoraan tieteiselokuvasta. Kuitenkin biohybridi-robotit ovat olleet olemassa yli vuosikymmenen. Nämä koneet yhdistävät luonnollisia elementtejä, kuten lihassyitä, robottitoimintoihin luodakseen vaikuttavia tuloksia.

Jo nyt on robotteja, jotka käyttävät lihapohjaisia toimilaitteita monimutkaisten ihmistehtävien, kuten uinnin tai tanssimisen, jäljittelemiseen. Nämä “pehmeät robotit” hyödyntävät keinotekoista luurankoa rakenteen ja vakauden tarjoamiseksi. Tämä lähestymistapa mahdollistaa insinööreille luoda artikuloidumpia ja tarkempia liikkeitä, jotka voivat vastata ihmiskäden herkkyyttä.

Biohybridi-robottien tyypit

Nykyään on käytössä monia erilaisia biohybridi-robottien tyyppejä. Nämä laitteet ovat yhtä monimuotoisia kuin ympäröivä maailma. Kuitenkin kolme pääluokkaa ovat mikro-organismit, kudos ja luusto.

• Mikroorgaaniset robotit on rakennettu solujen osiin tai hyödyntävät solukomponentteja tehtävien suorittamiseen. Ne ovat uskomattoman pieniä, mikä tekee niistä ihanteellisia tehtäviin, jotka vaativat poikkeuksellista tarkkuutta. Tämän vuoksi nämä pienet robotit voisivat joskus auttaa sinua parantumaan tai suorittamaan hengittämäsi ilman terveysmittauksia.
• Kudos-pohjaiset robotit hyödyntävät lihassyitä ja muuta laboratoriossa kasvatettua kudosta. Nämä laitteet voivat olla pelin muuttajia proteesialalla. Kuvittele robotti, joka auttaa sokeita näkemään tai amputoituneita kävelemään. Lisäksi biologisen kudoksen yhdistäminen robotiikkaan alentaa kustannuksia pienissä toistuvissa tehtävissä ja mahdollistaa itseparantuvat koneet.
• Luustopohjaiset robotit käyttävät bio-pohjaista luurankorakennetta, mikä tekee niistä ihanteellisia tiettyjen luonnollisten liikkeiden jäljittelemiseen. Kävely, hyppy ja tanssi ovat esimerkkejä luonnollisista liikkeistä, joita luustopohjaiset robotit jatkavat hallitsemistaan.

Pehmeiden robottien kohtaamat haasteet

Yksi pehmeiden robottien insinöörejä kohtaavista pääongelmista on täysin yhtenäisten suunnittelu- ja mallinnustyökalujen puute. Tämä standardoinnin puute on saanut alan hajaantumaan kaikkiin suuntiin, ja paljon työtä hukkuu samanlaisten tehtävien toistamiseen. Lisäksi biologisten elementtien ennakoimattomuus lisää toisen muuttujan, jonka insinöörien on otettava huomioon.

Kopiointiongelmat

Toisin kuin koneistetut osat, jotka voidaan taata olevan samat jokaisella kerralla, laboratoriossa kasvatetut lihassolut voivat käyttäytyä eri tavoin. Esimerkiksi tiedät, että lihas supistuu venytettäessä, mutta saman tuloksen saaminen jokaisella kerralla ilman vikaantumista on avain.

Tästä syystä on monimutkaista luoda biologisia komponentteja, jotka tarjoavat saman suorituskyvyn. Mielenkiintoista on, että 3D-kudostulostuksen edistysaskeleet voivat avata ovia tämän ongelman ratkaisemiseen tulevaisuudessa.

Standardit

Tämän hankkeen menestys voisi auttaa asettamaan joitakin yleisiä standardeja biohybridi-robotiikan alalla. Tällä hetkellä on monia erilaisia projekteja, jotka käyttävät erilaisia kokoonpanoja saman tavoitteen saavuttamiseksi. Viimeisin innovaatio suunniteltiin olemaan yleinen bio-mekaaninen toimilaite.

Tämä lähestymistapa mahdollistaa robotiikan insinööreille näiden laitteiden käytön tarpeen mukaan ja lyhentää kehitysaikaa. Lisäksi nämä kiinnikkeet voivat yhdistyä muihin vaihtoehtoihin tukemaan mitä tahansa robottien luurankorakennetta. Tämä malli mahdollistaa insinööreille monimutkaisten biohybridien luomisen, jotka voidaan säätää palvelemaan erityisiä rooleja.

MIT:n insinöörit

Tämän edullisen hankkeen takana oleva insinööritehtävä koostuu Ritu Ramanista, Alex d’Arbeloffista, Naomi Lynchistä, Tara Sheehanista, Nicolas Castrostä, Laura Rosadosta, Brandon Riosta sekä koneinsinöörin professori Martin Culpepperista. Erityisesti Culpepper on tunnettu pienoisrobottimekanismien projekteistaan.

Juuri tämä kokemus ja heidän kekseliäisyytensä mahdollistivat tiimin testata erilaisia toimilaitteita ennen lopullisen päätöksen tekemistä. He havaitsivat, että haitarimainen kiinnike mahdollisti lihaskudoksen luonnollisen supistumisen samalla kun se vahvisti jousen voimaa.

Biohybridi-teknologian edut

On monia syitä, miksi insinöörit ovat pyrkineet yhdistämään biologian ja robotiikan. Tämä yhdistelmä voi tuoda markkinoille loputtoman potentiaalin. Kuvittele robotit, jotka vahvistuvat työskennellessään tai jotka voivat parantua ja sopeutua tarpeen mukaan.

Aistihavainto

Biohybridi-robotit integroituvat biologiaan solutasolla, mikä tarkoittaa, että nämä laitteet voivat hyödyntää orgaanista materiaalia. Luonto on täynnä hämmästyttäviä aistielimiä, jotka voivat havaita kaiken suunnasta sähköisiin pulssiin. Insinöörit haluavat hyödyntää näitä luonnollisia antureita laajentaakseen robottien kykyjä.

Aivojen käyttöliittymä

Toinen biohybridi-insinöörien keskittymisalue on parantaa ihmisten vuorovaikutusta koneiden kanssa. Esimerkiksi Elon Musk on käyttänyt merkittävää rahoitusta neurolinkki-käyttöliittymään, joka yhdistyy aivojen hermoverkkoon ja tulkitsee komennot suoraan ajatuksista.

Seuraavan sukupolven proteesit

Monet näkevät terveydenhuollon sektorina, josta on eniten hyötyä pehmeän robotin integroinnista. Ajattele proteesia, joka on valmistettu oikeasta lihaskudoksesta, jonka käyttäjä voi kehittää ja joka toistaisi tuntemuksia, jotka hän yhdistää raajaan.

Kestävyys

Yksi biohybridi-teknologian suurimmista eduista on kyky luoda robotteja, jotka sulautuvat täydellisesti ympäristöönsä. Nämä laitteet voisivat jonain päivänä valvoa ympäristöä ja jopa auttaa sen korjaamisessa. Esimerkiksi ajattele antureita, jotka voisivat seurata ja vähentää saastepitoisuuksia.

Lihapohjaisten toimilaitteiden tulevat käyttötapaukset

Tälle lihapohjaiselle toimilaitteelle on monia tulevia käyttötapauksia. Nämä kevyet ratkaisut voitaisiin käyttää uuden sukupolven mikrorobotiikan virtalähteenä. Teoria on osoittanut parantavansa tehokkuutta. Tästä syystä ilmailutekniikasta terveydenhuoltoon on paljon huomiota tiimin toimintaan.

Robotit tulevat kevyemmiksi, pienemmiksi ja tarkemmiksi

Virrankulutuksen ja painon vähentäminen on järkevää. Saat laitteistasi enemmän käyttöikää ja tehoa. Tämän seurauksena yhä useammat insinöörit etsivät energiatehokkaita vaihtoehtoja, jotka voidaan helposti mukauttaa erilaisiin tilanteisiin. Biohybridi-toimilaitteet yhdistävät biologian ja robotiikan saumattomasti parantaen elämää, tehokkuutta ja kyvykkyyksiä. Näiden syiden vuoksi projekti on arvokas seurattavaksi tulevaisuudessa.

Voit oppia lisää jännittävistä robotiikan kehityksistä täällä.