Robotiikka
Ultraäänilihakset: Pehmeän robotiikan tulevaisuus
Lisää Securities.io suosikkilähteisiisi Google-palvelussa
Äänenohjattujen lihasten rakentaminen
Suurimman osan historiasta mekaanista energiaa ovat tuottaneet lihakset, olipa kyseessä ihmis- tai eläinlihakset. Vasta teollisen vallankumouksen alkaessa voitiin hyödyntää energiaa tuulesta (tuulimyllyt), vedestä (vesimyllyt ja padot) ja polttoprosesseista (höyrykoneet, polttomoottorit).
Mutta nämä mekaaniset järjestelmät olivat aina jossain määrin heikompia kuin luonnollinen liike, vaatien monimutkaisia järjestelmiä ja huoltoa saavuttaakseen verrattuna melko heikon liikkumisvapauden.
Tämä on edelleen ongelma roboteille, jotka yleensä tarvitsevat erittäin monimutkaisia sähkömoottorijärjestelmiä ja kehittynyttä ohjelmistoa pysyäkseen pystyssä. Ongelmana on yleensä luoda täysin hallittava ja riittävän joustava liike.
Koska lihas on niin erinomainen tapa tuottaa liikettä, tutkijat ovat pyrkineet luomaan sen keinotekoisen variantin, joka voitaisiin käyttää sähköllä. Tähän mennessä ehdotetut materiaalit ovat aina jääneet vajaiksi suorituskyvyssä, kustannuksissa tai valmistusmenetelmässä.
Tämä saattaa muuttua uuden keinotekoisen lihasmuotoilun ansiosta, jonka ovat ehdottaneet tutkijat ETH Zürichistä (Sveitsi), Münsterin yliopistosta (Saksa) ja Nebraskan-Lincolnin yliopistosta (USA).
He julkaisi arvostetussa tieteellisessä lehdessä Nature1, otsikolla “Ultraäänikäyttöiset ohjelmoitavat keinotekoiset lihakset”.
Kuinka ultraäänikäyttöiset lihakset toimivat
Lihakset toimivat pidentämällä tai lyhentämällä lihaksen pituutta, vetämällä siihen kiinnittyvään luuhun.
Tähän mennessä keinotekoiset lihakset ovat yrittäneet jäljitellä tätä ideaa useilla eri materiaaleilla:
- Hiilikuituputket
- Muistialli
- Pneumaattiset (ilma) tai hydrauliset järjestelmät
Kaikilla näillä järjestelmillä oli ongelmia joko luotettavuuden, hienosäädetyn ohjauksen, energian kulutuksen tai liian korkeiden kustannusten osalta.
“Kemialliset menetelmät vaativat usein myrkyllisiä polttoaineita, valoon perustuvat järjestelmät kärsivät rajoitetusta kudosläpäisykyvystä ja mahdollisesta lämpövahingosta, ja magneettiset järjestelmät edellyttävät kömpelöitä laitteita samalla kun ne risköivät Joulen lämmön.”
Tämän tutkimuksen tutkijat suuntasivat uuden ja erilaisen suunnan keinotekoisen lihaksen ohjaamiseen: äänet.
Ultraäänen edut
Olipa kyseessä robotiikka tai biolääketieteelliset implantaattorit, ultraäänet tarjoavat edun helppokäyttöisenä ohjausmenetelmänä, joka on täysin ei-haitallinen.
Ultraäänet ovat myös langattomia, etäohjattavia, kulkevat vaivattomasti ulkoisten kerrosten (myös orgaanisten kudosten) läpi ja niillä on korkea spatiaalinen valikoivuus (tarkka kohdistus).
Se on myös teknologia, jota käytetään yleisesti edullisesti, myös kliinisissä ympäristöissä.
Kaiken kaikkiaan ultraäänet ovat täydellisiä biolääketieteellisiin ja in vivo -sovelluksiin, mutta niitä voitaisiin käyttää myös muilla aloilla, kuten robotiikassa, erityisesti niin sanotussa pehmeässä robotiikassa.
Ultraääniä käyttävät yhä useammat tutkijat, jotka hyödyntävät niitä virrata lääketieteellisiä implantaattoreita langattomasti, biotulostaa elävää kudosta ja biomonitorointiin.
Mikrokuplamateriaalit keinotekoisissa lihaksissa
Tässä tutkimuksessa tutkijat loivat materiaalin, joka sisältää tarkasti valmistetun mikrokuplien matriisin, joka ultraäänellä oikeassa resonanssissa saa materiaalin taipumaan.
Lähde: Nature
Kun mikrokuplien matriisin kokoa vaihtelee, se voi muuttaa sitä, mille ultraäänitaajuudelle materiaalin tietty osa reagoi.
Lähde: Nature
Tähän mennessä ultraäänestä syntynyt voima keinotekoisessa lihaksessa on ollut liian heikko käytännön sovelluksiin. Tämä uusi muotoilu on kuitenkin paljon vahvempi (7,6 μN/mm2), tuoden tällaisen konseptin keinotekoisten lihasmateriaalien potentiaalin eturintamaan.
Korkean tarkkuuden muotti luotiin mikropilarijärjestelmillä, jotka kaaviteltiin piisilautaan pehmeällä litografialla, toimimaan negatiivisina muotteina sylinterimäisille mikroonteloille.
Ohut kerros polydimetylisilikonia (PDMS) pyöritettiin sitten lautaselle, jolloin syntyi haluttu mikrokuplamateriaali.
Lopullinen materiaali muodostui keinotekoiseksi lihakseksi (3 cm × 0.5 cm × 80 μm), joka sisältää yli 10 000 tasalaatuista mikrokuplaa onteloissa (40 μm halkaisija, 50 μm syvyys).
Ohjatun liikkeen luominen ultraäänellä
Koska materiaalin eri osat reagoivat eri taajuuksiin, ultraäänen modulointi voidaan käyttää luomaan tarkasti hallittu aaltoileva liike, esimerkiksi. Tutkijat testasivat myös materiaalin vuorovaikutusta todellisessa maailmassa, käyttämällä sitä kalansikiön ansaan ottamiseen, mantelin pyörittämiseen tai ruohonvarren liikuttamiseen. Se osoitti myös, että menetelmä on harmiton eläville organismeille, ilman lämmönnousua tai negatiivisia vaikutuksia ultraäänistä.
Tutkijat testasivat sitten, voidaanko materiaalia käyttää orgaanisten kudosten kiinnittämiseen ja liikuttamiseen. Tätä varten he kokeilivat sitä sian sydämellä. Ultraääniohjatut toimilaitteet pysyivät kiinni ja jatkoivat liikkumista, siirtäen voimaa kudokseen.
Lähde: Nature
He testasivat myös materiaalin mahdollisuutta lääkkeiden toimitukseen, käyttäen ultraääntä laukaisevana tekijänä materiaalin vapauttamiseksi mikrokuplapatchista.
In-vivo-robottien liikuttaminen
Lopuksi tutkimus loi ”mini‑päärynä‑botin”, jonka aaltoilevat liikkeet voivat ohjata liikettä nestemäisessä ympäristössä.
Lähde: Nature
He testasivat menestyksekkäästi päärynä‑botin liikkumista sian vatsassa ja suolistossa.
Vapautuessaan päärynä‑botti etenee aloitusnopeudella noin 0,8 kehon pituutta sekunnissa, mikä osoittaa järjestelmän kyvyn liikkua eläimen sisäisissä elimissä.
Lähde: Nature
Kaiken kaikkiaan nämä kokeet vahvistivat materiaalin potentiaalin langattomien ja puettavien laitteiden in vivo -käyttöön.
Sovellukset
Tutkimus keskittyi potentiaalisiin biolääketieteellisiin sovelluksiin, sillä tämä voi olla teknologian suoraviivaisin käyttö. Pehmeää robotiikkaa hyödynnetään yhä enemmän lääketieteellisten materiaalien integroimisessa, esimerkiksi syöpähoitojen tai muiden hoitojen toimittamisessa oikeaan elimeen.
Tätä menetelmää voidaan laajentaa myös suurempiin kappaleisiin, vähintään senttimetri-asteikolle, ja monilla liikeradoilla.
Jatkossa tällaisia keinotekoisia lihaksia voitaisiin käyttää robotiikassa, joustavassa elektroniikassa, puettavissa teknologioissa, proteeseissa, biolääketieteellisissä instrumenteissa ym.
Lisäparannukset voisivat myös tehdä tästä konseptista entistä voimakkaamman ja hyödyllisemmän:
- Vaikuttaa siltä, että konvergoivat trapetsimaiset ontelot voisivat tuottaa noin 3‑kertaista voimakkaampia virtausnopeuksia kuin divergoivat muodot. Geometrinen ja tiheysoptimointi voisi siis luoda toimilaitteita räätälöidyillä deformaatioprofiileilla.
- Konfokaali äänilähde voisi saavuttaa voimakkaamman deformoinnin ja tarkemman kohdistuksen keinotekoisen lihaksen tiettyyn osaan.
- Hydrogeelit ja biohajoavat polymeerit voitaisiin myös käyttää laajemmin biolääketieteellisissä sovelluksissa.
Vedä vierittääksesi →
| Sovellusala | Käyttötapaus | Hyväksymispotentiaali |
|---|---|---|
| Pehmeä robotiikka | Joustavat tarttujat ja kävelevät robotit | Korkea |
| Biolääketieteelliset implantaattorit | Langaton toiminta sisäisille kudoksille | Erittäin korkea |
| Lääkkeiden toimitus | Ultraäänellä laukaistavat vapautusmekanismit | Korkea |
| Puettavat laitteet | Älykkäät patjat ja haptiikkapalauttejärjestelmät | Keskitaso |
| Proteesit | Keinotekoisen lihaksen integrointi elävän kaltaiseen liikkeeseen | Korkea |
Sijoittaminen HealthTechiin
PHG Hintakaavio
Philips on tunnettu kuluttajaelektroniikan brändi (partakoneet, sähköhammasharjat), joka on yhtä aktiivinen terveydenhuollossa. Esimerkiksi se oli MedTech‑patenttien #1 hakija Euroopassa vuonna 2022 ja kolmen parhaan joukossa seuraavina vuosina.
Se on aktiivinen yhdistetyissä lääketieteellisissä tuotteissa, aina puettavista laitteista kuvantamiseen, hengityslaitteisiin ja lääketieteellisiin robotteihin.
Yritys on myös aktiivinen puolijohteissa (mukaan lukien maglev‑teknologia) ja korkean teknologian/robotiikan/automaatiossa, ja kaikilla toiminnoilla on yhteinen teknologinen perusta.
Lähde: Philips
Philips tarjoaa puettavia laitteita sydämen, hengityksen ja aktiivisuuden mittaamiseen. Sen antureita voidaan integroida älykelloihin, terveysseurantalaitteisiin, lääketieteellisiin patjoihin ja aktiivisuusmittareihin.
Philipsin asiantuntemus biokompatibleissa antureissa, puolijohteissa ja langattomissa ratkaisuissa voisi tehdä siitä johtajan kehittyneissä ultraääniä hyödyntävissä lääketieteellisissä implantaattoreissa.
Lääketieteellisten laitteiden osalta Philips suosii kumppanuusratkaisua, jossa se kehittää kolmansille osapuolille heidän yhdistetyt IoT‑lääketieteelliset laitteensa, jotka ovat täysin yhteensopivia Philipsin muiden ratkaisujen kanssa. Tässä yhteydessä se tarjoaa asiakkailleen prototyyppien suunnittelua, sääntelyneuvontaa, kokonaisvaltaista tuotekehitystä ja teollisen mittakaavan tuotantoa.
Tämä tekee Philipsista teknologiaan keskittyvän yrityksen ja todennäköisen ehdokkaan nopeaan uusien innovaatioiden integrointiin jo olemassa oleviin lääketieteellisiin laitteisiin. Yhteensä Philipsin laitteet vaikuttivat suoraan yli 1,8 miljardiin ihmiseen.
Yritys haluaa luoda täysin integroidun digitaalisen terveydenhuollon ympäristön, jossa anturit sopivat laitteisiin, ja käyttää useita yhteysratkaisuja integroitumaan Philips HealthSuite Cloud -ratkaisuun ja mahdollistamaan syvällisen data‑analytiikan.
Lähde: Philips
MedTech‑alan toimittajana, joka usein valmistaa muiden brändien tuotteita, Philips ei ole yhtä näkyvä alalla kuin muut, tunnetummat yritykset. Kuitenkin se on asiantuntija korkean suorituskyvyn elektronisten laitteiden ja antureiden rakentamisessa, usein työntäen rajoja mahdollisen suhteen omassa terveydenhuollon ja puettavien laitteiden niche‑alueessaan.
Kun puettavat laitteet ja lääketieteellinen elektroniikka integroituvat yhä enemmän terveydenhuollon ja lääketieteellisten protokollien osaksi, Philipsin Healthcare‑segmentti todennäköisesti kasvaa osana konsernia.
Uusimmat Koninklijke Philips N.V.( PHG) -osaketuotteiden uutiset ja kehitys
Viitattu tutkimus
1. Shi, Z., Zhang, Z., Schnermann, J. et al. Ultraäänikäyttöiset ohjelmoitavat keinotekoiset lihakset. Nature 646, 1096–1104 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09650-3
