근육 기반 액추에이터가 로봇 솔루션의 잠재력을 극대화할 수 있다

MIT의 혁신적인 엔지니어 그룹이 방금 로봇공학에 혁신을 일으킬 수 있는 근육 기반 액추에이터를 만들었습니다. 창의적인 이들은 특수 설계된 단방향 액추에이터와 실험실에서 배양한 근육 세포를 결합했습니다. 이 구조는 장치를 가볍게 만들고 성능을 향상시켰습니다. 앞으로 이 새로운 근육 기반 액추에이터가 로봇에 전력을 공급하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 살펴보겠습니다.

바이오 플렉스 근육 기반 액추에이터

A paper published in the journal Advanced Intelligent Systems explains how a new type of bio flexure could provide repeatable and reliable results that are many times more efficient than a previous attempt. To accomplish this task, the team needed to reinvent the concept of a flexure.

Flexures

Flexures는 순응성 기계 요소로서 액추에이터 역할을 할 수 있습니다. 액추에이터는 에너지의 형태를 제어 가능한 반응으로 변환할 수 있는 장치입니다. 이들은 대부분의 로봇에 어떤 형태로든 존재하며, 이러한 장치를 개선하면 즉각적인 효과가 있습니다. 일부 액추에이터는 열, 압력, 전기 및 자기 에너지를 변환합니다.플렉서스는 강성 구조를 활용하여 액추에이터 역할을 하는 스프링과 같은 장치입니다. 이들은 미세한 정확도의 움직임을 제공하도록 조정할 수 있어 로봇에서 인기가 있습니다. 이 액추에이터들은 작고 가벼워 이러한 작업에 이상적입니다.

Biohybrid Flexures

MIT 엔지니어들은 새로운 재료와 설계를 결합하여 그들의 창조물의 성능을 향상시켰습니다. 예를 들어, 그들은 골격처럼 작동하는 더 얇은 플렉서 디자인을 만들었습니다. 플렉서는 각 모서리에 베이스 레이어에 연결된 핀을 특징으로 합니다. 또한 그라운드, 캠, 모바일, 마운트 핀도 있습니다.필요할 때 정확한 근육 긴장을 만들기 위해 서로 안에 여러 개의 사각형이 설계되었습니다. 엔지니어들은 정확한 수축을 제공하기 위해 근육 밴드를 특별히 결합했습니다. 이 팀은 일련의 테스트를 수행하고 데이터를 수집했습니다. 특히, 결과는 눈에 띄게 놀라웠으며 장치가 모든 요구 사항을 개선했습니다. 또한, 이 데이터는 소프트 로봇 산업에서 최초의 제조 표준을 만드는 데 도움이 될 수 있습니다.

Testing

보고서는 연구원들이 바이오하이브리드 액추에이터의 성능을 향상시키기 위해 근육 수축 동적 튜닝의 새로운 방법을 만든 과정을 자세히 설명했습니다. 테스트는 기둥 사이의 거리를 측정하는 것부터 시작되었습니다. 그 후, 플렉스가 늘려졌으며 다섯 번 반응했습니다.이 주파수 독립적인 테스트는 연구원들이 근육 피로가 성능에 영향을 미친 시점을 정확히 판단할 수 있게 했습니다. 이러한 조정은 또한 그들이 만든 제품에서 최대 지구력을 끌어내고 능력을 압박 테스트할 수 있게 했습니다. 보다 강도 높은 테스트는 흥미로운 결과를 보여주었습니다. 예를 들어, 더 높은 간격이 근섬유를 더 빨리 소진시킨다는 것이 밝혀졌습니다.

조절 가능성

엔지니어들은 베이스에 연결되는 빔의 두께와 간격을 조정하여 굽힘의 힘을 바꾸었습니다. 이 레이아웃은 근육의 자연스러운 움직임을 최적화하고 이를 굽힘의 강성 및 움직임 정도와 결합하도록 설계되었습니다. 특히, 새로운 바이오하이브리드 굽힘 장치는 지금까지 가장 강력하고 정확합니다.나노미터 정밀도로 굽히고 늘어날 수 있어 마이크로 로봇공학에 이상적입니다. 또한, 증가된 스트로크 출력은 더 높은 성능과 신뢰성을 제공합니다. 이러한 요인들은 연구팀이 그들의 발견에 더 많은 관심을 얻는 데 도움이 되었습니다.

골격근 조직

MIT 팀은 최종 옵션을 결정하기 전에 다양한 근육 유형을 연구했습니다. 쥐 근육 조직은 가용성, 비용 효율성 및 실험실에서 성장할 수 있는 능력 때문에 선택되었습니다. 결과적인 근섬유는 신뢰할 수 있었으며 연구원들에 따르면 프로젝트를 성공으로 이끄는 데 도움이 되었습니다.

근섬유 vs 합성 액추에이터

근섬유는 기계적 및 전기적 에너지를 제어 가능한 동작으로 변환하는 데 뛰어납니다. 따라서 로봇 공학자들이 이러한 이점을 복제하려는 것이 타당합니다. 기존 액추에이터와 비교할 때, 바이오하이브리드 액추에이터는 초정밀 움직임을 가능하게 합니다. 이들은 강도, 효율성 및 적응성을 결합하여 계속해서 논의의 주제가 되고 있습니다.또한, 이러한 장치는 작동에 필요한 에너지가 적고, 기능 추적성이 향상되며, 훨씬 작게 만들 수 있습니다. 액추에이터 품질을 결정하는 주요 요인은 신뢰할 수 있는 결과를 제공하는 능력, 내구성, 정확성 및 힘 전달 능력입니다. 근섬유 액추에이터는 시장을 위한 이상적인 솔루션으로서 계속해서 가능성을 보여주고 있습니다.

바이오하이브리드 로봇

유기 물질을 사용하는 로봇이라는 아이디어는 마치 SF 스릴러에서 나온 것처럼 보일 수 있습니다. 하지만 바이오하이브리드 로봇은 이미 10년 이상 존재해 왔습니다. 이러한 기계는 근섬유와 같은 자연 요소를 로봇 기능과 결합하여 인상적인 결과를 만들어냅니다.이미 근육 기반 액추에이터를 사용하여 수영이나 춤과 같은 복잡한 인간 작업을 복제하는 로봇이 있습니다. 이러한 “soft robots”는 구조와 안정성을 위해 인공 골격을 활용합니다. 이 접근 방식은 엔지니어가 인간 손의 섬세함에 맞출 수 있는 보다 정교하고 정확한 움직임을 만들 수 있게 합니다.

바이오하이브리드 로봇의 유형

오늘날 사용되는 바이오하이브리드 로봇에는 다양한 유형이 많이 있습니다. 이러한 장치는 여러분 주변의 세계만큼 다양합니다. 그러나 주요 세 가지 범주는 미생물, 조직, 그리고 골격입니다.

• 마이크로오가닉 로봇은 세포의 구성 요소에 내장되거나 이를 활용하여 작업을 수행합니다. 이들은 매우 작아 뛰어난 정밀도가 요구되는 작업에 이상적입니다. 따라서 이러한 작은 로봇은 언젠가 당신이 치유를 돕거나 당신이 숨쉬는 공기의 건강 스캔을 수행하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
• 조직 기반 봇은 근섬유 및 실험실에서 배양된 기타 조직을 활용합니다. 이러한 장치는 보철 분야에서 혁신을 일으킬 수 있습니다. 시각 장애인에게 시력을 제공하거나 절단된 사람에게 보행을 돕는 로봇을 상상해 보세요. 또한, 생물학적 조직과 로봇공학을 결합하면 작은 반복 작업의 비용을 낮추고 자가 치유 기계를 가능하게 합니다.
• 골격 기반 로봇은 생물 기반 골격 구조를 사용하여 특정 자연스러운 움직임을 복제하는 데 이상적입니다. 걷기, 뛰기, 그리고 춤추기는 골격 기반 로봇이 계속해서 숙달하고 있는 자연스러운 움직임의 예시입니다.

Challenges Faced By Soft Robots

소프트 로봇 엔지니어들이 직면하는 주요 문제 중 하나는 통합된 설계 및 모델링 도구가 전혀 없다는 점입니다. 이러한 표준화 부재는 업계를 사방으로 흩어지게 만들었으며, 유사한 작업을 반복하는 데 많은 노력이 낭비되고 있습니다. 게다가, 생물학적 요소의 예측 불가능한 특성은 엔지니어들이 다루어야 할 또 다른 변수를 추가합니다.

복제 문제

매번 동일함을 보장할 수 있는 가공 부품과 달리, 실험실에서 배양한 근육 세포는 다르게 작용할 수 있습니다. 예를 들어, 근육이 늘어나면 수축한다는 것은 알지만, 실패에 이르지 않으면서 매번 동일한 결과를 얻는 것이 핵심입니다.따라서 동일한 성능을 제공하는 생물학적 부품을 만드는 것은 복잡합니다. 흥미롭게도, 3D 조직 프린팅의 발전이 앞으로 이 문제를 해결할 수 있는 길을 열어줄 수 있습니다.

표준

이 사업의 성공은 바이오하이브리드 로봇 분야에서 일부 보편적인 표준을 설정하는 데 도움이 될 수 있습니다. 현재, 동일한 목표를 달성하기 위해 다양한 설정을 사용하는 많은 프로젝트가 존재합니다. 최신 혁신은 보편적인 바이오-기계식 액추에이터가 되도록 설계되었습니다.이 접근 방식은 로봇 엔지니어가 필요할 때마다 이러한 장치를 사용할 수 있게 하며 개발 시간을 단축합니다. 또한, 이러한 고정 장치는 다른 옵션과 결합하여 모든 유형의 로봇 골격 구조를 지원할 수 있습니다. 이 모델은 엔지니어가 특정 역할을 수행하도록 조정할 수 있는 복잡한 바이오하이브리드를 만들 수 있게 합니다.

MIT 엔지니어

The team of engineers behind this advantageous effort includes Ritu Raman, Alex d’Arbeloff, Naomi Lynch, Tara Sheehan, Nicolas Castro, Laura Rosado, Brandon Rios, and professor of mechanical engineering Martin Culpepper. Notably, Culpepper is known for his ventures into miniature robotic mechanisms.

It’s this experience and their ingenuity that enabled the team to test a variety of actuators before settling on their ultimate decision. They found the accordion-style fixture enabled the muscle tissue to contract naturally while enhancing the spring’s force.

바이오하이브리드 기술의 장점

엔지니어들이 생물학과 로봇공학을 결합하려는 이유는 많습니다. 이 융합은 시장에 무한한 잠재력을 가져올 수 있습니다. 작업하면서 점점 강해지거나 필요할 때 스스로 치유하고 적응하는 로봇을 상상해 보세요.

감각 인식

바이오하이브리드 로봇은 세포 수준에서 생물학을 통합하여, 이러한 장치가 유기 물질을 활용할 수 있게 합니다. 자연은 방향부터 전기 펄스에 이르기까지 모든 것을 감지할 수 있는 놀라운 감각 기관으로 가득합니다. 엔지니어들은 로봇의 능력을 확장하기 위해 이러한 자연 센서들을 활용하고자 합니다.

뇌 인터페이스

생체 하이브리드 엔지니어가 집중하는 또 다른 영역은 사람들이 기계와 상호 작용하는 방식을 개선하는 것입니다. 예를 들어, 일론 머스크는 뇌의 신경망에 연결하고 생각으로부터 직접 명령을 해석하는 뉴럴 링크 인터페이스에 상당한 자금을 투자했습니다.

차세대 보철

많은 사람들이 의료 분야가 연성 로봇 통합으로 가장 큰 혜택을 받을 수 있는 분야라고 보고 있습니다. 실제 근육 조직으로 만든 보철을 생각해 보세요. 사용자가 개선을 위해 작업할 수 있고, 사지와 연관된 감각을 재현할 수 있는 보철입니다.

지속 가능성

바이오하이브리드 기술의 가장 큰 장점 중 하나는 환경과 완벽하게 융합되는 로봇을 만들 수 있는 능력입니다. 이러한 장치는 언젠가 환경을 모니터링하고 심지어 복구를 돕기도 할 수 있습니다. 예를 들어, 오염 수준을 추적하고 감소시킬 수 있는 센서를 생각해 보세요.

근육 기반 액추에이터의 미래 활용 사례

이러한 근육 기반 액추에이터 스타일에 대한 미래 활용 사례가 많이 있습니다. 이러한 경량 솔루션은 차세대 마이크로 로봇에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있습니다. 이 이론은 효율성을 향상시키는 것으로 입증되었습니다. 따라서 항공 전자부터 의료까지 팀의 행동에 많은 관심이 집중되고 있습니다.

로봇이 더 가볍고, 더 작으며, 더 정확해집니다

전력 소비와 무게를 줄이는 것은 타당합니다. 장치에서 더 오래 지속되는 배터리와 더 큰 전력을 얻을 수 있습니다. 따라서 더 많은 엔지니어가 다양한 시나리오에 쉽게 적용할 수 있는 전력 효율적인 옵션을 찾고 있습니다. 바이오하이브리드 액추에이터는 생물학과 로봇공학을 매끄럽게 결합하여 삶, 효율성 및 역량을 향상시킵니다. 이러한 이유로 이 프로젝트는 앞으로도 주목할 가치가 있습니다.

흥미로운 로봇공학 개발에 대해 더 알아보려면 여기.