Gli Attuatori a Base di Muscolo Potrebbero Massimizzare il Potenziale delle Soluzioni Robotiche

Un gruppo di ingegneri innovativi del MIT ha appena creato attuatori a base di muscolo che potrebbero rivoluzionare la robotica. Le menti creative hanno combinato un attuatore monodirezionale appositamente progettato con cellule muscolari coltivate in laboratorio. Questa struttura ha permesso al dispositivo di essere leggero e di migliorare le prestazioni. Ecco come questo nuovo attuatore a base di muscolo potrebbe alimentare i robot in futuro.

Bio Flexures Muscle-Based Actuators

Un articolo pubblicato sulla rivista Advanced Intelligent Systems spiega come un nuovo tipo di bioflessione possa fornire risultati ripetibili e affidabili, molte volte più efficienti rispetto a un tentativo precedente. Per realizzare questo compito, il team ha dovuto reinventare il concetto di flessione.

Flexures

Le flessioni sono elementi meccanici conformi che possono fungere da attuatori. Un attuatore è un dispositivo che può convertire una forma di energia in una risposta controllabile. Si trovano nella maggior parte della robotica in qualche forma e migliorare questi dispositivi ha un effetto immediato. Alcuni attuatori convertono calore, pressione, elettricità e energia magnetica.
Le flessioni sono dispositivi simili a molle che sfruttano una struttura rigida per agire da attuatori. Sono popolari nei robot perché possono essere regolati per fornire movimenti micro-precisi. Questi attuatori sono piccoli e leggeri, il che li rende ideali per questi compiti.

Biohybrid Flexures

Gli ingegneri del MIT hanno utilizzato una combinazione di nuovi materiali e design per ottenere prestazioni migliori dalla loro creazione. Per esempio, hanno realizzato un design di flessione più sottile che agisce come uno scheletro. La flessione presenta un perno collegato allo strato di base in ogni angolo. Sono presenti anche perni di terra, camma, mobili e di montaggio.
Diversi rettangoli concentrici sono stati progettati per creare una tensione muscolare precisa quando necessario. Gli ingegneri hanno poi legato bande muscolari specificamente per fornire contrazioni accurate. Il team ha quindi eseguito una serie di test e ha raccolto i dati. In modo significativo, i risultati sono stati sorprendenti, con il dispositivo che ha superato tutti i requisiti. Inoltre, i dati potrebbero aiutare a creare i primi standard di produzione nell’industria dei robot morbidi.

Testing

Il rapporto ha dettagliato come i ricercatori hanno creato un nuovo metodo di sintonizzazione dinamica della contrazione muscolare per migliorare le prestazioni del loro attuatore bioibrido. I test sono iniziati misurando la distanza tra i supporti. Da lì, la flessione è stata allungata e ha risposto cinque volte.
Questo test indipendente dalla frequenza ha permesso ai ricercatori di determinare con precisione quando l’affaticamento muscolare aveva influenzato le prestazioni. Questa sintonizzazione ha anche consentito di ottenere la massima resistenza dalle loro creazioni e di testare sotto pressione le loro capacità. I test più intensi hanno mostrato risultati interessanti. Per esempio, hanno rivelato che intervalli più elevati consumano le fibre muscolari più rapidamente.

Adjustability

Gli ingegneri hanno modificato la forza della flessione alterando lo spessore o la distanza tra le travi che collegano le basi. Il layout è stato progettato per ottimizzare il movimento naturale del muscolo e combinarlo con la rigidità e il grado di movimento della flessione. In modo significativo, il nuovo flessore bioibrido è finora il più potente e preciso.
Può flettersi e allungarsi con precisione nanometrica, rendendolo ideale per la micro-robotica. Inoltre, l’aumento della corsa fornisce prestazioni e affidabilità superiori. Questi fattori hanno aiutato il team di ricerca a suscitare maggiore interesse per i loro risultati.

Skeletal Muscle Tissues

Il team del MIT ha studiato diversi tipi di muscolo prima di decidere l’opzione finale. Il tessuto muscolare di topo è stato scelto per la sua disponibilità, convenienza e capacità di crescere in laboratorio. La fibra muscolare risultante è risultata affidabile e ha contribuito a spingere il progetto verso il successo, secondo i ricercatori.

Muscle Fibers vs Synthetic Actuators

Le fibre muscolari sono eccellenti nel convertire energia meccanica ed elettrica in azioni controllabili. Perciò è logico che gli ingegneri robotici cerchino di duplicare questi vantaggi. Rispetto agli attuatori tradizionali, gli attuatori bioibridi consentono movimenti ultra-precisi. Offrono una combinazione di forza, efficienza e adattabilità che continua a renderli oggetto di discussione.
Inoltre, questi dispositivi consumano meno energia, offrono una maggiore tracciabilità delle capacità e possono essere molto più piccoli. I fattori principali che determinano la qualità di un attuatore sono la capacità di fornire risultati affidabili, la durabilità, la precisione e la capacità di forza. Gli attuatori a fibra muscolare continuano a mostrare promesse come soluzione ideale per il mercato.

Biohybrid Robots

L’idea di robot che utilizzano materiale organico può sembrare tratta da un thriller di fantascienza. Tuttavia, i robot bioibridi esistono già da oltre un decennio. Queste macchine combinano aspetti naturali, come le fibre muscolari, con le funzioni robotiche per ottenere risultati impressionanti.
Già esistono robot che usano attuatori a base di muscolo per replicare compiti umani complessi come nuotare o ballare. Questi “soft robots” sfruttano uno scheletro artificiale per struttura e stabilità. Questo approccio consente agli ingegneri di creare movimenti più articolati e precisi, in grado di eguagliare la delicatezza di una mano umana.

Types of Biohybrid Robots

Esistono molti diversi tipi di robot bioibridi in uso oggi. Questi dispositivi sono tanto vari quanto il mondo che ci circonda. Tuttavia, le tre categorie principali sono i microrganismi, i tessuti e lo scheletro.

• I robot microorganici sono integrati o sfruttano componenti cellulari per svolgere compiti. Sono incredibilmente piccoli, il che li rende ideali per attività che richiedono precisione eccezionale. Pertanto, questi minuscoli robot potrebbero un giorno aiutare a guarire o a effettuare scansioni della salute dell’aria che respiri.
• I robot basati su tessuto sfruttano fibre muscolari e altri tessuti coltivati in laboratorio. Questi dispositivi potrebbero rivoluzionare il settore delle protesi. Immagina un robot che aiuti le persone non vedenti a vedere o gli amputati a camminare. Inoltre, combinare tessuto biologico con la robotica riduce i costi per compiti ripetitivi di piccola scala e consente macchine auto-riparanti.
• I robot basati su scheletro utilizzano una struttura scheletrica di origine biologica, rendendoli ideali per duplicare alcuni movimenti naturali. Camminare, saltare e ballare sono tutti esempi di movimenti naturali che i robot basati su scheletro continuano a padroneggiare.

Challenges Faced By Soft Robots

Uno dei principali problemi che gli ingegneri dei robot morbidi affrontano è la totale mancanza di strumenti unificati di progettazione e modellazione. Questa mancanza di standardizzazione ha portato l’industria a frammentarsi in tutte le direzioni, con molta energia sprecata nel ripetere compiti simili. Inoltre, la natura imprevedibile degli elementi biologici aggiunge un’ulteriore variabile con cui gli ingegneri devono confrontarsi.

Duplication Problems

A differenza delle parti lavorate che possono essere garantite identiche ogni volta, le cellule muscolari coltivate in laboratorio possono comportarsi diversamente. Per esempio, si sa che il muscolo si contrarrà se allungato, ma ottenere lo stesso risultato ogni volta senza arrivare al fallimento è fondamentale.
Pertanto, è complicato creare componenti biologici che forniscano le stesse prestazioni. Curiosamente, i progressi nella stampa 3D di tessuti potrebbero aprire la strada a una soluzione di questo problema in futuro.

Standards

Il successo di questa iniziativa potrebbe contribuire a stabilire alcuni standard universali nel settore della robotica bioibrida. Attualmente, esistono molti progetti diversi, con configurazioni differenti, per raggiungere lo stesso obiettivo. L’ultima innovazione è stata progettata per essere un attuatore bio-meccanico universale.
Questo approccio consente agli ingegneri robotici di utilizzare questi dispositivi quando necessario e di ridurre i tempi di sviluppo. Inoltre, questi componenti possono combinarsi con altre opzioni per supportare qualsiasi tipo di struttura scheletrica robotica. Questo modello permette agli ingegneri di creare bioibridi complessi che possono essere sintonizzati per svolgere ruoli specifici.

MIT Engineers

Il team di ingegneri dietro questo sforzo vantaggioso comprende Ritu Raman, Alex d’Arbeloff, Naomi Lynch, Tara Sheehan, Nicolas Castro, Laura Rosado, Brandon Rios e il professore di ingegneria meccanica Martin Culpepper. È notevole che Culpepper sia conosciuto per le sue iniziative nei meccanismi robotici in miniatura.
È questa esperienza e la loro ingegnosità che hanno permesso al team di testare una varietà di attuatori prima di decidere la soluzione definitiva. Hanno scoperto che il supporto a forma di fisarmonica consentiva al tessuto muscolare di contrarsi naturalmente, migliorando al contempo la forza della molla.

Advantages of Biohybrid Tech

Ci sono molte ragioni per cui gli ingegneri hanno cercato di combinare biologia e robotica. Questa fusione potrebbe offrire un potenziale illimitato al mercato. Immagina robot che diventano più forti man mano che lavorano o che possono guarire e adattarsi quando necessario.

Sensory Perception

I robot bioibridi integrano la biologia a livello cellulare, il che significa che questi dispositivi possono sfruttare materiale organico. La natura è piena di straordinari organi sensoriali che possono rilevare di tutto, dalla direzione agli impulsi elettrici. Gli ingegneri vogliono sfruttare questi sensori naturali per ampliare le capacità dei robot.

Brain Interface

Un altro ambito di interesse per gli ingegneri bioibridi è migliorare il modo in cui le persone interagiscono con le macchine. Per esempio, Elon Musk ha investito ingenti fondi nell’interfaccia Neuralink, che si collega alla rete neurale del cervello e interpreta i comandi direttamente dal pensiero.

Next-Gen Prosthetics

Molte persone vedono l’assistenza sanitaria come il settore che più può beneficiare dell’integrazione dei robot morbidi. Immagina una protesi realizzata con vero tessuto muscolare, che la persona possa utilizzare per migliorare e che replicasse le sensazioni associate all’arto.

Sustainability

Uno dei maggiori vantaggi della tecnologia bioibrida è la capacità di creare robot che si integrano perfettamente con i loro ambienti. Questi dispositivi potrebbero un giorno monitorare l’ambiente e persino contribuire a ripararlo. Per esempio, pensa a sensori che possano rilevare e ridurre i livelli di inquinamento.

Future Use Cases for Muscle-Based Actuators

Ci sono molti casi d’uso futuri per questo tipo di attuatore a base di muscolo. Queste soluzioni leggere potrebbero essere utilizzate per alimentare una nuova generazione di micro-robotica. La teoria ha dimostrato di migliorare l’efficienza. Pertanto, dall’avionica all’assistenza sanitaria c’è molta attenzione sulle azioni del team.

Robots Get Lighter, Smaller, and More Accurate

Ridurre il consumo energetico e il peso ha senso. Si ottiene più durata e potenza dai propri dispositivi. Di conseguenza, più ingegneri cercano opzioni a basso consumo energetico che possano essere facilmente adattate a vari scenari. L’attuatore bioibrido fonde biologia e robotica in modo fluido per migliorare la vita, l’efficienza e le capacità. Per questi motivi, il progetto vale la pena di essere monitorato in futuro.

Puoi saperne di più sugli sviluppi entusiasmanti nella robotica qui.