3D 인쇄 스탬프를 이용한 소프트 로봇틱스용 합성 근육

MIT 연구진은 최근에 처음으로 여러 방향으로屈曲할 수 있는 합성 근육 액추에이터를 만들었습니다. 이 연구는 더 능력 있는 소프트 로봇과 다른 고급 의료 혁신의 문을 열었습니다. 여기서 연구진은 새로운 3D 프린팅 방법과 특별히 만든 스탬프를 이용하여 실험실에서 실제 근육을 복제할 수 있는 합성 근육을 어떻게 키웠는지 설명합니다.

근육 구조와 운동 이해

당신의 손이 움직일 때, 단순히 근육이 한 방향으로 당겨지는 것보다 훨씬 더 많은 일이 일어납니다. 많은 다방향성 골격근 섬유가 복잡한 패턴을 형성하고 각도에 따라 마운트되어 인간 몸의 정확한 운동을 생성합니다.

자연은 매우 효율적이며, 수십억 년의 진화 과정에서 형태와 작동의 대부분의 오류를 수정했습니다. đó가为什么 엔지니어들이 자신의 디자인에 영감을 얻기 위해 자연을 찾는 이유입니다. 최근 과학자들은 골격근 섬유를 키우는 데 깊이涉及되었습니다.

바이오 하이브리드 근육 액추에이터와 그 한계

이 섬유는 전기 충격이 가해지면 수축하고, 충격이 제거되면 근육이 이완되어 반복적인 작동이 가능합니다. 이러한 소프트 바이오 하이브리드 액추에이터는 에너지 효율성, 적응성, 거의 모든 형태의 팩터에 설정할 수 있습니다. 그러나 그것們은 몇 가지 이유로理想的이지 않습니다.

기존 합성 근육 제조 방법의課題

현재의 합성 근육 액추에이터 디자인에는 제한된 운동 범위가 있습니다. 대부분의 응용 분야에서 합성 근육은 두 점 사이에 연결됩니다. 이러한 배열은 근육이 마운트된 점 沿에만 당길 수 있거나 이완할 수 있습니다.

또한 합성 액추에이터를 키우는 것은 매우 비용이 많이 듭니다. 미세한 위상학적 특징을 세포 외 기질 하이드로겔에 생성하는 현재의 과정에는 전문 장비가 필요합니다. 또한 이것은 여러 단계의 과정으로, 회사가 미세 조각 분야의 전문가를 고용하도록 요구합니다.

STAMP: 합성 근육 액추에이터를 위한 새로운 제조 방법

MIT 연구진은 새로운 스탬핑 방법을 통해 합성 근육을 더好的 방법으로 만들고 싶었습니다. 연구 “Leveraging microtopography to pattern multi-oriented muscle actuators“¹는 Biomaterials Science 저널에 발표되었습니다.

그것은 팀이 어떻게 고급 3D 프린팅을 이용하여 실제 조직의 구조적 복잡성을 복제할 수 있는 인공 조직을 더 효율적이고 비용 효율적인 방법으로 키울 수 있는지 보여줍니다.

STAMP 방법론과 3D 프린팅 접근

연구의 일환으로, 과학자들은 신뢰할 수 있는 제조를 제공하기 위해 STAMP (simple templating of actuators via micro-topographical patterning) 제조 방법을 만들었습니다. 특히, 스탬프는 표준 24-웰 플레이트에 맞도록 설계되었습니다. 팀은 затем MIT.nano의 고정밀 3D 프린팅 시설을 이용하여 하이드로겔 캐스트에 수직으로 정렬된 (90°) 마이크로 그루브를 만들었습니다.

하이드로겔 매트

세포 성장을 촉진하기 위한 목적으로 설계된 하이드로겔 매트가 만들어졌습니다. 하이드로겔은 부드러운 재료이지만, 그루브 또는 다른 디자인으로 설정하여 세포 성장을 변경할 수 있습니다. 특히, 하이드로겔 매트의 디자인은 이전에 유사한 재료를 이용하여 합성 근육을 키우고 강화한 연구자의 이전 작업과 유사합니다.

Source – MIT

반 粘着 코팅

경험 많은 베이커처럼, 엔지니어들은 자신의 스탬프에 비粘着 코팅을 적용했습니다. 이 코팅은 마이크로 토포그래피적 큐를 높은 신뢰도로 패턴화할 수 있는 단백질로 만들어졌습니다. 흥미롭게도, 팀은 UV 시스템을 이용하여 스탬핑 패드를灭菌한 후 1% 보빈 세럼 앨범인 솔루션을 이용하여 1시간 동안浸漬시켜 모ールド를 방지했습니다.

다방향성 근육 액추에이터의 컴퓨터 시뮬레이션

실험의 핵심은 팀의 전문적으로 구축된 컴퓨터 시뮬레이션입니다. 팀은 자신의 테스트와 실험 시도를 개선하기 위해 모델을 만들었습니다. 이 고급 시뮬레이션을 이용하여 팀은 마이크로 토포그래피적 패턴화가 근육 정렬 효율성에 어떻게 영향을 미치는지 조사할 수 있었습니다.

그들은 또한 마우스와 인간의 근섬유 형태와 수축 기능에 대한 중요한 세부 사항을 연구할 수 있었습니다. 그곳에서 팀은 세포 크기와 그루브 크기가 근육 정렬과 전체 디자인에 어떻게 영향을 미치는지 탐구했습니다. 인상적으로, 테스트 결과는 컴퓨터 시뮬레이션 결과와 일치하여, 그 유용성과 정확성을 보여주었습니다.

다방향성 근육 액추에이터 테스트

그들의 이론을 테스트하기 위해, 엔지니어들은 눈의 복잡한 근육에서 영감을 얻었습니다. 당신의 홍채 근육은 빛의 양을 조절하기 위해 여러 방향으로 조정할 수 있습니다. 이러한 근육은 집중하고 환경 조건에 따라 원형으로 또는 방사형으로 움직일 수 있습니다.

엔지니어들은 원형으로 배치된 근섬유가 방사형으로 배치된 섬유 위에 있는 몰드를 설계했습니다. 당신의 눈에서, 이러한 복잡한 디자인은 미세한 조정과 즉시적인 조정을 가능하게 합니다.

특히, 이 실험에서 인공 홍채는 자발적인 골격근 세포를 이용하여 제조되었습니다. 흥미롭게도, 엔지니어들은 마우스와 인간의 근섬유가 STAMP된 홍채 기질 위에서 24시간 내에 섬유로 융합되기 시작한다는 것을 관찰했습니다.

빛을 비추다

근섬유는 완전히 성숙하여 실제 홍채의 복제본을 보여주었습니다. 이는 새로운 프로세스가 필요한 경우 복잡한 디자인을 생성할 수 있음을 보여줍니다. 이전의 바이오 로봇틱스 근육 액추에이터와 달리, 이 새로운 버전은 빛에 노출되면 조정할 수 있도록 유전적으로 수정되었습니다.

이 설정을 이용하여 엔지니어들은 정확히 어느 근육을 작동시키는지 빛 빔을 이용하여 지정할 수 있습니다. 원형과 방사형 근섬유의 공간적으로 분리된 영역을 이용하여 엔지니어들은 집중적으로 근육을 작동시킬 수 있습니다.

결과: 다방향성 작동 및 검증

엔지니어들은 근육 세포가 성장하고 융합하여 섬유를 생성하는 것을 보여주는 여러 실험을 수행했습니다. 합성 근육은 빛源에 의해 자극될 때 여러 방향으로 수축했습니다. 특히, 테스트는 팀이 처음으로 다방향성 힘을 생성하는 골격근 기반 로봇을 보여주는 데 성공했다는 것을 보여주었습니다.

테스트 결과는 팀이 홍채 레이아웃과 능력을 성공적으로 복제했다는 것을 보여주었습니다. 이러한 테스트 결과는 STAMP 방법이 다방향성 합성 근육 소프트 액추에이터를 더 효율적으로 설계, 생성, 테스트할 수 있음을 보여줍니다.

근육 엔지니어링을 위한 STAMP 방법의 장점

합성 근육 연구의 이점은 여러 산업에 걸쳐 나타날 것입니다. 먼저, 새로운 방법은 이전의 미세 조각 전략보다 훨씬 더 접근성이 좋습니다. 엔지니어들은 상업적으로 이용 가능한 테이블탑 3D 프린터를 이용하여 유사한 결과를 얻을 수 있다고 언급했습니다.

단일 단계 방법

향상된 제조 방법을 이용하여 엔지니어들은 하이드로겔의 표면에 다양한 크기와 구성의 마이크로 토포그래피를 단일 단계에서 패턴화할 수 있습니다. 또한, STAMP는 초음파 배스에 의해 청소될 수 있으며 여러 번 재사용될 수 있으므로 비용 효율성이 높습니다.

정밀도

시스템을 이용하여 엔지니어들은 마우스와 인간의 골격근 섬유를 성장시킬 수 있으며, 그 성숙이나 기능에 부정적인 영향을 미치지 않습니다. 특히, 팀은 거의 모든 패턴으로 근육을 성장시켜 복잡한 운동을 수행할 수 있다고 언급했습니다.

지속 가능성

이러한 액추에이터의 또 다른 주요 이점은 그것이 생분해성이 될 수 있다는 것입니다. 이는 인간과 마찬가지로, 미래의 로봇이 기술의 발전에 따라 폐기되지 않고 환경에 미치는 영향을 최소화할 수 있음을 의미합니다.

연구 팀과 자금 지원

MIT 엔지니어들은 Ritu Raman의 지도 아래 연구를 수행했습니다. 논문은 Tamara Rossy, Laura Schwendeman, Sonika Kohli, Maheera Bawa, 및 Pavankumar Umashankar가 공동 저술했습니다. 추가 지원은 Roi Habba, Oren Tchaicheeyan, 및 Ayelet에서 제공했습니다.

프로젝트에 대한 재정 지원은 미국 국립 과학 재단, 미국 해군 연구소, 미국 육군 연구소, 및 미국 국립 보건원에서 제공되었습니다.

STAMP 기반 액추에이터의 응용 및 미래 전망

바이오 엔지니어링된 근육 액추에이터에는 의료에서 로봇틱스까지 다양한 응용 분야가 있습니다. STAMP 방법은 비용을 줄이고 대규모 생산의 문을 열어줍니다. 따라서, 향후 몇 개월 안에 합성 근육 기반 로봇에 대한 많은 이야기를 들을 수 있을 것입니다.

소프트 로봇틱스

소프트 로봇틱스는 끝없는 가능성을 가진 새로운 분야입니다. 이러한 로봇은刚性 구조를 사용하지 않습니다. 따라서, 비응집 설계와 접근 및 도달하기 어려운 영역에 대한 접근을 변경하는能力이 필요합니다. 이미 엔지니어들은 프로펠러를 사용하지 않고 자연적 대응물과 유사하게 작동하는 물고기를 설계하고 있습니다.

의료 치료

의료 분야는 이 기술에서 큰 이점을 얻을 것입니다. 엔지니어들은 이 기술이 다른 유형의 생물학적 조직,例如 신경 세포 및 심장 세포를 성장시키는 데 사용될 것이라고 예측합니다. 이러한 실험실에서 성장된 대체 물질은 신경근 장애와 더 많은 것을 앓고 있는 사람들을 치료하는 데 사용될 수 있습니다.

또한, 기술은 연구자들이 인간 조직을 테스트 및 약물 개발을 위해 복제하는 능력을 향상하는 데 도움이 될 것입니다. 세포를 성장시키는 현재의 방법은 느리고 시간이 많이 걸리지만, 이 접근법을 이용하여 빠르고 저렴한 제조가 가능해집니다.

적용 예상 시기

이 기술이 상업적으로 등장하기까지 5-10년이 걸릴 것으로 예상됩니다. 현재, 로봇을 더 능력 있게 만들기 위한 강한 추진력이 있습니다. 합성 근육은 이 작업을 수행할 수 있으며, 반복적인 사용으로 강화될 수 있습니다.

이 최신의 돌파구는 최고의 로봇틱스 회사에서 더 가벼운, 더 효율적인 디자인을 만들기 위해 실험할 수 있는 문을 열어줍니다. 기술은 대부분의 액추에이터를 대체하여 반복적인 사용으로 성능을 강화할 수 있는 신뢰할 수 있는 대안을 제공할 수 있습니다.

로봇틱스 혁신: 주목할 공공 회사

MIT 팀의 바이오 하이브리드 액추에이터는 여전히 연구 단계에 있지만, 그 잠재적인 영향은 산업 전체에 걸쳐 확산됩니다. 특히, 소프트 로봇틱스, 자율 시스템, 및 생물 의학 엔지니어링 분야에서 그렇습니다. 로봇 디자인 및 기능의 발전에 관심이 있는 투자자들은 인접 영역에서 혁신을 주도하는 확립된 회사들을 고려할 수 있습니다. 이러한 회사 중 하나는 Oceaneering International, Inc.입니다.

Oceaneering International Inc

Oceaneering International, Inc. (OII )는 1964년에 상업 고객을 위한 고급 深海 다이빙 장비 및 로봇을 제공하기 위해 시장에 진입했습니다. 회사는 텍사스 주 휴스턴에 본사를두고 있으며, 무인 해양, 우주, 및 다른 환경 차량의 선도 제공업체로 간주됩니다.

회사가 설립된 이후, Oceaneering International, Inc.는 엄청난 성장을 보았습니다. 오늘날, 회사는 드론, 해저 하드웨어, 석유 장비, 深海 시스템, 및 더 많은 서비스를 제공합니다. 회사는 현재 10,400명의 직원을 고용하고 있으며, 해당 분야에서 가장 인식되는 이름 중 하나입니다.

로봇틱스 분야에 대한 노출을 원하는 사람들은 Oceaneering International, Inc.에 대한 추가 연구를 수행해야 합니다. 회사의 주식, OII,는 회사의 연간 매출과 함께 계속 상승하고 있습니다. 회사는 현재 2.25B의 시가 총액을 보유하고 있으며, 분석가들은 深海 드론에 대한 수요가 증가함에 따라 시가 총액이 확대될 것으로 예상합니다.

합성 근육 기술이 성숙함에 따라, Oceaneering와 같은 회사들은 액추에이터 성능 및 소형화의 교차 혁신에서 혜택을 받을 수 있습니다. 따라서, 그것들은 더广泛한 로봇틱스 생태계에서 주목할 주식입니다.

最新의 Oceaneering International

적용을 위한 장애물

엔지니어들은 이제 여러 장애물에 직면할 것입니다. 그들은 제조 공정을 개선하고, 다른 연구자들이 프로젝트를 더 빠르게 시작하는 데 도움이 되는 템플릿을 설정하는 데 집중할 것입니다.

의료 분야에서 기술을 통합하는 데에는 규제적인 지연이 있을 것입니다. 이러한 검사와 테스트는 상업적 로봇틱스 응용 분야보다 더 많은 시간이 걸릴 것입니다. 그러나, 제품의 최상급 안전을 보장하기 위해 필요한 절차입니다.

합성 근육은 내일의 전기 자전거 및 그 이상을 구동할 수 있습니다

합성 근육의 능력을 조사할 때, 그것들이 기계적으로 기반한 대응물보다 더 인기 있는 액추에이터가 되는 미래를 쉽게 상상할 수 있습니다. 그것들은 에너지를 덜 사용하며, 더 쉽게 만들 수 있으며, 더 가벼운 것입니다. 따라서, MIT 엔지니어들은 로봇틱스를 앞으로revolutionizing할 수 있는 노력에 대해 찬사를 받습니다.

다른 재미있는 로봇틱스 프로젝트에 대해 알아보십시오 지금.

참조된 연구:

^{1. Rossy, T., Schwendeman, L., Kohli, S., Bawa, M., Umashankar, P., Habba, R., Tchaicheeyan, O., Lesman, A., & Raman, R. (2025). Leveraging microtopography to pattern multi-oriented muscle actuators. Biomaterials Science. https://doi.org/10.1039/d4bm01017e}