Spiergebaseerde actuatoren kunnen het potentieel van robotoplossingen maximaliseren

Een groep innovatieve ingenieurs van MIT heeft zojuist spiergebaseerde actuatoren ontwikkeld die de robotica kunnen revolutioneren. De creatieve geesten combineerden een speciaal ontworpen mono-directionele actuator met in het laboratorium gekweekte spiercellen. Deze structuur maakte het apparaat lichtgewicht en verbeterde de prestaties. Hier leest u hoe deze nieuwe spiergebaseerde actuator robots in de toekomst kan aandrijven.

Bioflexuren met spiergebaseerde actuatoren

Een paper gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Intelligent Systems legt uit hoe een nieuw type bioflexuur herhaalbare en betrouwbare resultaten kan leveren die vele malen efficiënter zijn dan een eerdere poging. Om deze taak te volbrengen, moest het team het concept van een flexuur opnieuw uitvinden.

Flexuren

Flexuren zijn conforme mechanische elementen die als actuatoren kunnen fungeren. Een actuator is een apparaat dat een vorm van energie kan omzetten in een controleerbare respons. Ze komen in de meeste robotica in enige vorm voor en het verbeteren van deze apparaten heeft een direct effect. Sommige actuatoren zetten warmte, druk, elektriciteit en magnetische energie om.

Flexuren zijn veerachtige apparaten die een rigide structuur benutten om als actuatoren te fungeren. Ze zijn populair in robots omdat ze kunnen worden aangepast om micro‑preciese bewegingen te leveren. Deze actuatoren zijn klein en lichtgewicht, waardoor ze ideaal zijn voor deze taken.

Biohybride flexuren

De MIT‑ingenieurs gebruikten een combinatie van nieuwe materialen en ontwerp om betere prestaties uit hun creatie te halen. Bijvoorbeeld, ze creëerden een dunner flexuurontwerp dat fungeert als een skelet. De flexuur heeft een pin die op elke hoek met de basislaag is verbonden. Er zijn ook grond‑, cam‑, mobiele en montagepinnen.

Verschillende rechthoeken binnen elkaar werden ontworpen om exacte spierspanning te creëren wanneer nodig. De ingenieurs bonden vervolgens spierbanden specifiek om nauwkeurige contracties te leveren. Het team voerde daarna een reeks tests uit en legde de gegevens vast. Opmerkelijk waren de resultaten verbluffend, waarbij het apparaat aan alle eisen voldeed. Bovendien kunnen de gegevens helpen de eerste productienormen in de zachte robotindustrie te creëren.

Testen

Het rapport beschreef hoe onderzoekers een nieuwe methode voor dynamische afstemming van spiercontracties ontwikkelden om de prestaties van hun biohybride actuator te verbeteren. De tests begonnen met het meten van de afstand tussen de palen. Vervolgens werd de flexuur uitgerekt en reageerde vijf keer.

Deze frequentie‑onafhankelijke test stelde onderzoekers in staat nauwkeurig te bepalen wanneer spiervermoeidheid de prestaties had beïnvloed. Deze afstemming stelde hen ook in staat maximale uithoudingsvermogen uit hun creaties te halen en hun capaciteiten onder druk te testen. De intensievere tests lieten interessante resultaten zien. Bijvoorbeeld, ze onthulden dat hogere intervallen de spiervezels sneller uitputten.

Aanpasbaarheid

De ingenieurs wijzigden de kracht van de flexuur door aan te passen hoe dun of hoe ver uit elkaar de balken die met de bases verbonden zijn, liggen. Het ontwerp was bedoeld om de natuurlijke beweging van de spier te optimaliseren en te combineren met de stijfheid en bewegingsgraad van de flexuur. Opmerkelijk is dat de nieuwe biohybride flexor tot nu toe de krachtigste en meest nauwkeurige is.

Hij kan buigen en rekken met nanometerprecisie, waardoor hij ideaal is voor micro‑robotica. Bovendien levert de verhoogde slagoutput hogere prestaties en betrouwbaarheid. Deze factoren hebben het onderzoeksteam meer interesse in hun bevindingen opgeleverd.

Skeletspierweefsels

Het MIT‑team onderzocht verschillende spiersoorten voordat ze hun uiteindelijke optie kozen. Muizen‑spierweefsel werd gekozen vanwege de beschikbaarheid, betaalbaarheid en het vermogen om in een laboratorium te groeien. De resulterende spiervezel was betrouwbaar en hielp het project volgens de onderzoekers naar succes te stuwen.

Spiervezels vs synthetische actuatoren

Spiervezels zijn uitstekend in het omzetten van mechanische en elektrische energie in controleerbare acties. Daarom is het logisch dat robotica‑ingenieurs deze voordelen willen dupliceren. Vergeleken met traditionele actuatoren maken biohybride actuatoren ultranauwkeurige beweging mogelijk. Ze bieden een combinatie van kracht, efficiëntie en aanpasbaarheid die hen tot een onderwerp van discussie maakt.

Bovendien verbruiken deze apparaten minder energie, bieden ze meer traceerbaarheid van mogelijkheden en kunnen ze veel kleiner zijn. De belangrijkste factoren die de kwaliteit van een actuator bepalen, zijn het vermogen om betrouwbare resultaten te leveren, duurzaamheid, nauwkeurigheid en krachtcapaciteit. Spiervezelactuatoren blijven veelbelovend als de ideale oplossing voor de markt.

Biohybride robots

Het idee van robots die organisch materiaal gebruiken lijkt misschien recht uit een sci‑fi thriller. Biohybride robots bestaan echter al meer dan een decennium. Deze machines combineren natuurlijke aspecten, zoals spiervezels, met robotfuncties om indrukwekkende resultaten te creëren.

Er bestaan al robots die spiergebaseerde actuatoren gebruiken om complexe menselijke taken zoals zwemmen of dansen te dupliceren. Deze “zachte robots\” maken gebruik van een kunstmatig skelet voor structuur en stabiliteit. Deze benadering stelt ingenieurs in staat meer beweeglijke en precieze bewegingen te creëren die de fijngevoeligheid van een menselijke hand evenaren.

Soorten biohybride robots

Er zijn tegenwoordig veel verschillende soorten biohybride robots in gebruik. Deze apparaten zijn net zo divers als de wereld om je heen. De drie belangrijkste categorieën zijn echter micro‑organismen, weefsel en skelet.

• Microorganische robots zijn ingebouwd in of maken gebruik van celcomponenten om taken uit te voeren. Ze zijn ongelooflijk klein, waardoor ze ideaal zijn voor taken die uitzonderlijke precisie vereisen. Als zodanig zouden deze kleine robots op een dag kunnen helpen bij genezing of het uitvoeren van gezondheidscontroles van de lucht die je inademt.
• Op weefsel gebaseerde bots maken gebruik van spiervezels en ander in het laboratorium gekweekt weefsel. Deze apparaten kunnen een keerpunt betekenen in de prothese‑sector. Stel je een robot voor die blinde mensen helpt zien of geamputeerden laat lopen. Bovendien verlaagt het combineren van biologisch weefsel met robotica de kosten voor kleine repetitieve taken en maakt het zelfherstellende machines mogelijk.
• Skeletgebaseerde robots gebruiken een bio‑gebaseerde skeletstructuur, waardoor ze ideaal zijn voor het dupliceren van bepaalde natuurlijke bewegingen. Lopen, springen en dansen zijn voorbeelden van natuurlijke bewegingen die skeletgebaseerde robots blijven beheersen.

Uitdagingen voor zachte robots

Een van de belangrijkste problemen waarmee zachte robot‑ingenieurs worden geconfronteerd, is het totale gebrek aan uniforme ontwerp‑ en modelleringshulpmiddelen. Dit gebrek aan standaardisatie heeft de industrie in alle richtingen doen versnipperen, waardoor veel inspanning verloren gaat aan het herhalen van vergelijkbare taken. Bovendien voegt de onvoorspelbare aard van biologische elementen een extra variabele toe waarmee ingenieurs moeten omgaan.

Duplicatieproblemen

In tegenstelling tot machinale onderdelen die elke keer gegarandeerd identiek zijn, kunnen in het laboratorium gekweekte spiercellen anders reageren. Bijvoorbeeld, je weet dat de spier zal samentrekken als hij wordt uitgerekt, maar elke keer hetzelfde resultaat behalen zonder falen is de sleutel.

Daarom is het ingewikkeld om biologische componenten te creëren die dezelfde prestaties leveren. Interessant genoeg zouden vooruitgangen in 3D‑weefselprinten de deur kunnen openen om dit probleem in de toekomst op te lossen.

Normen

Het succes van dit project zou kunnen bijdragen aan het vaststellen van enkele universele normen in de biohybride robotsector. Momenteel zijn er veel verschillende projecten die verschillende opstellingen gebruiken om hetzelfde doel te bereiken. De nieuwste innovatie is ontworpen als een universele bio‑mechanische actuator.

Deze benadering stelt robotica‑ingenieurs in staat deze apparaten wanneer nodig te gebruiken en de ontwikkeltijd te verkorten. Bovendien kunnen deze componenten worden gecombineerd met andere opties om elk type robotisch skelet te ondersteunen. Dit model stelt ingenieurs in staat complexe biohybriden te creëren die kunnen worden afgestemd op specifieke rollen.

MIT‑ingenieurs

Het team van ingenieurs achter deze veelbelovende inspanning bestaat uit Ritu Raman, Alex d’Arbeloff, Naomi Lynch, Tara Sheehan, Nicolas Castro, Laura Rosado, Brandon Rios en professor werktuigbouwkunde Martin Culpepper. Opmerkelijk is dat Culpepper bekend staat om zijn projecten op het gebied van miniatuur‑robotmechanismen.

Het is deze ervaring en hun vindingrijkheid die het team in staat stelde een verscheidenheid aan actuatoren te testen voordat ze hun uiteindelijke keuze maakten. Ze ontdekten dat de accordeon‑achtige bevestiging het spierweefsel natuurlijk liet samentrekken terwijl de kracht van de veer werd versterkt.

Voordelen van biohybride technologie

Er zijn veel redenen waarom ingenieurs hebben geprobeerd biologie en robotica te combineren. Deze fusie kan eindeloos potentieel voor de markt bieden. Stel je robots voor die sterker worden naarmate ze werken of die kunnen genezen en zich aanpassen wanneer dat nodig is.

Zintuiglijke waarneming

Biohybride robots integreren biologie op cellulair niveau, wat betekent dat deze apparaten organisch materiaal kunnen benutten. De natuur zit vol met verbazingwekkende zintuiglijke organen die alles kunnen detecteren, van richting tot elektrische pulsen. Ingenieurs willen deze natuurlijke sensoren aanboren om de mogelijkheden van robots uit te breiden.

Herseninterface

Een ander focusgebied voor biohybride ingenieurs is het verbeteren van de interactie tussen mensen en machines. Bijvoorbeeld, Elon Musk heeft aanzienlijke financiering geïnvesteerd in de neural‑link‑interface, die verbinding maakt met het neurale netwerk van de hersenen en commando’s direct uit gedachten interpreteert.

Volgende‑generatie protheses

Veel mensen zien de gezondheidszorg als de sector die het meest kan profiteren van de integratie van zachte robots. Denk aan een prothese gemaakt van echt spierweefsel, die de persoon kan gebruiken om te verbeteren en die de sensaties die bij het ledemaat horen, kan repliceren.

Duurzaamheid

Een van de grootste voordelen van biohybride technologie is het vermogen om robots te creëren die perfect opgaan in hun omgeving. Deze apparaten zouden op een dag de omgeving kunnen monitoren en zelfs helpen te herstellen. Bijvoorbeeld, denk aan sensoren die vervuilingsniveaus kunnen volgen en verminderen.

Toekomstige toepassingen voor spiergebaseerde actuatoren

Er zijn veel toekomstige toepassingen voor dit type spiergebaseerde actuator. Deze lichtgewicht oplossingen kunnen worden gebruikt om een nieuwe generatie micro‑robotica aan te drijven. De theorie heeft bewezen de efficiëntie te verbeteren. Daarom is er van avionica tot gezondheidszorg veel aandacht voor de acties van het team.

Robots worden lichter, kleiner en nauwkeuriger

Het verminderen van het energieverbruik en het gewicht is logisch. Je krijgt meer levensduur en vermogen uit je apparaten. Daardoor zoeken steeds meer ingenieurs naar energie‑efficiënte opties die gemakkelijk kunnen worden aangepast aan verschillende scenario’s. De biohybride actuator combineert biologie en robotica naadloos om levens, efficiëntie en mogelijkheden te verbeteren. Om deze redenen is het project de moeite waard om in de toekomst te blijven volgen.

U kunt meer te weten komen over spannende ontwikkelingen in de robotica hier.