Ultrasone Spieren: De Toekomst van Zachte Robotica

Bouwen van geluidsgestuurde spieren

Gedurende het grootste deel van de geschiedenis werd mechanische energie geleverd door spieren, of het nu menselijke of dierlijke spieren waren. Pas met het begin van de Industriële Revolutie kon energie uit wind (windmolens), water (watermolens en dammen) en verbranding (stoommachines, verbrandingsmotoren) worden gewonnen.

Maar deze mechanische systemen waren altijd enigszins inferieur aan natuurlijke beweging, vereisten complexe systemen en onderhoud om een relatief beperkte bewegingsvrijheid te bereiken in vergelijking.

Dit blijft een probleem voor robots, die vaak zeer complexe reeksen elektrische motoren en geavanceerde software nodig hebben om rechtop te blijven. Het probleem is over het algemeen het creëren van een volledig controleerbare en voldoende flexibele beweging.

Aangezien de spier een superieure manier is om beweging te genereren, hebben wetenschappers gezocht naar een kunstmatige variant die door elektriciteit kan worden aangedreven. Tot nu toe hebben voorgestelde materialen altijd tekortgeschoten in prestaties, kosten of fabricagemethode.

Dit kan veranderen dankzij een nieuw ontwerp van een kunstmatige spier dat is voorgesteld door onderzoekers van de ETH Zürich (Zwitserland), de Universiteit van Münster (Duitsland) en de Universiteit van Nebraska-Lincoln (VS).

Ze publiceerden in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Nature¹, onder de titel “Ultrasound-driven programmable artificial muscles”.

Hoe ultrasoon-gestuurde spieren werken

Spieren werken door de lengte van de spier te vergroten of te verkleinen, waardoor ze aan het bot trekken waaraan ze bevestigd zijn.

Kunstmatige spieren hebben tot nu toe geprobeerd dit idee te repliceren met verschillende soorten materialen:

• Koolstofnanobuizen
• Vormgeheugende legeringen
• Pneumatische (lucht) of hydraulische systemen

Deze systemen leden allemaal aan een gebrek aan betrouwbaarheid, fijn afgestelde controle, energieverbruik of te hoge kosten.

“Chemische methoden vereisen vaak brandstoffen die toxisch kunnen zijn, op licht gebaseerde systemen lijden onder beperkte weefselpenetratie en mogelijk thermische schade, en magnetische systemen vereisen omvangrijke hardware terwijl ze het risico op Joule‑verwarming met zich meebrengen.”

De onderzoekers in deze studie gingen een nieuwe en andere richting in om de kunstmatige spier te controleren: geluiden.

De voordelen van ultrasoon

Of het nu gaat om toepassingen in robotica of biomedische implantaten, ultrasoon heeft het voordeel een gemakkelijk te creëren controlemethode te zijn die volledig niet‑destructief is.

Ultrasoon is bovendien draadloos, op afstand, gaat onschadelijk door externe lagen (inclusief organisch weefsel) en heeft een hoge ruimtelijke selectiviteit (gerichtheid).

Het is ook een technologie die vaak tegen lage kosten wordt gebruikt, ook in een klinische setting.

Kortom, ultrasoon is perfect voor biomedische en in‑vivo toepassingen, maar kan ook worden gebruikt in andere gebieden zoals robotica, met name de zogenaamde zachte robotica.

Ultrasoon wordt steeds populairder bij onderzoekers, die het gebruiken om medische implantaten draadloos van stroom te voorzien, om levende weefsels te bioprinten, en voor biomonitoring.

Microbelmateriaal in kunstmatige spieren

In deze studie creëerden de onderzoekers een materiaal dat een nauwkeurig vervaardigde reeks microbellen bevat, die, wanneer ze worden blootgesteld aan de juiste resonantie van ultrasoon, het materiaal laten buigen.

Bron: Nature

Door de grootte van de microbelreeks te variëren, kan worden veranderd op welke ultrasoonfrequentie een bepaald gedeelte van het materiaal reageert.

Bron: Nature

Tot nu toe was de kracht die door ultrasoon in een kunstmatige spier werd gegenereerd te zwak voor praktische toepassingen. Maar dit nieuwe ontwerp is veel sterker (7,6 μN/mm²), waardoor zo’n concept naar de voorgrond van potentieel kunstmatig spiermateriaal wordt gebracht.

Er werd een hoog‑resolutiematrijs gemaakt met micropilarenreeksen, geëtst op een silicium wafer met zachte lithografie, om te dienen als negatieve matrijzen voor cilindrische microcaviteiten.

Een dunne laag polydimethylsiloxaan (PDMS) werd vervolgens op de wafer gesponst, waardoor het gewenste microbelmateriaal werd gecreëerd.

Het uiteindelijke materiaal vormde een kunstmatige spier (3 cm × 0.5 cm × 80 μm), die meer dan 10.000 uniforme microbellen bevat in holtes (40 μm diameter, 50 μm diepte).

Geregelde beweging creëren met ultrasoon

Omdat verschillende delen van het materiaal op verschillende frequenties reageren, kan het moduleren van ultrasoon worden gebruikt om bijvoorbeeld een nauwkeurig gecontroleerde golvende beweging te creëren. De onderzoekers testten ook interacties van het materiaal met de echte wereld, door het te gebruiken om een vislarve te vangen, een amandel te draaien of een grasspriet te verplaatsen. Het toonde ook aan dat de methode onschadelijk is voor levende organismen, zonder verwarming of negatieve effecten van de ultrasoon.

De onderzoekers testten vervolgens of het materiaal kon worden gebruikt om organisch weefsel te bevestigen en te verplaatsen. Hiervoor testten ze het met een varkenshart. De ultrasoon‑gestuurde actuatoren bleven bevestigd en bleven bewegen, waardoor kracht op het weefsel werd overgedragen.

Bron: Nature

Ze testten ook het potentieel van het materiaal voor geneesmiddellevering, waarbij ultrasoon werd gebruikt als trigger voor de afgifte van het materiaal uit de microbelpatch.

Bewegende in‑vivo robots

Tot slot creëerde het onderzoek een “mini‑pijlinkt‑robot” waarvan de golvingen de beweging in een vloeibare omgeving kunnen controleren.

Bron: Nature

Ze testten vervolgens met succes de beweging van de pijlinkt‑robot in de maag en darmen van een varken.

Na vrijlating beweegt de pijlinkt‑robot zich voort met een initiële snelheid van ongeveer 0,8 lichaamslengtes per seconde, wat de mogelijkheid van het systeem aantoont om zich binnen de interne organen van een dier te verplaatsen.

Bron: Nature

Al met al bevestigden deze experimenten het potentieel van het materiaal voor in‑vivo gebruik van draadloze en draagbare apparaten.

Toepassingen

De studie richtte zich op potentiële biomedische toepassingen, aangezien dit de meest voor de hand liggende toepassing van deze technologie kan zijn. Zachte robotica wordt steeds vaker gebruikt om materialen te integreren die in de geneeskunde worden toegepast, bijvoorbeeld het afleveren van anti‑kankermedicijnen of andere behandelingen naar het juiste orgaan.

Deze methode kan ook worden uitgebreid naar grotere stukken, tot op zijn minst de centimeterschaal, en met veel vrijheidsgraden in beweging.

Later kunnen dergelijke kunstmatige spieren worden gebruikt voor robotica, flexibele elektronica, draagbare technologieën, protheses, biomedische instrumentatie, enz.

Verdere verbetering zou dit concept ook nog krachtiger en bruikbaarder kunnen maken:

• Het lijkt erop dat convergerende trapeziumvormige holtes ongeveer 3‑maal sterkere stroomingssnelheden kunnen genereren dan divergerende vormen. Dus geometrische en dichtheidsoptimalisatie kan actuatoren creëren met op maat gemaakte deformatiesprofielen.
• Een confocale geluidsbron zou sterkere vervorming en meer precieze targeting van een specifiek deel van de kunstmatige spier kunnen bereiken.
• Hydrogels en biologisch afbreekbare polymeren kunnen ook worden gebruikt voor meer biomedische toepassingen.

Veeg om te scrollen →

Investeren in HealthTech

Philips is een bekend consumentenmerk voor kleine elektronica (scheerapparaten, elektrische tandenborstels) en is even actief in de gezondheidszorg. Bijvoorbeeld, het was in 2022 de nummer 1 voor MedTech‑patentaanvragen in Europa en behoort de daaropvolgende jaren tot de top 3.

Het is actief in verbonden medische producten, van wearables tot beeldvorming, respirators en medische robots.

Het bedrijf is ook actief in halfgeleiders (inclusief maglev‑technologie) en high‑tech/robotica/automatisering, waarbij elke activiteit een gemeenschappelijke technologische basis deelt.

Bron: Philips

Philips biedt wearables voor hart‑, ademhalings‑ en activiteitsmetingen. De sensoren kunnen worden geïntegreerd in smartwatches, gezondheidsmonitoren, medische patches en activiteits trackers.

De expertise van Philips in biocompatibele sensoren, halfgeleiders en draadloze oplossingen zou het tot een leider kunnen maken in geavanceerde medische implantaten die ultrasoon benutten.

Voor medische apparaten geeft Philips de voorkeur aan een partnerschapsoplossing, waarbij het voor derden hun verbonden IoT‑medische apparaten ontwikkelt die volledig compatibel zijn met de rest van de Philips‑oplossingen. In die context biedt het zijn klanten prototyping, regelgevingsadvies, end‑to‑end productontwikkeling en productie op industriële schaal.

Dit maakt Philips een technologie‑gericht bedrijf en een waarschijnlijke kandidaat om nieuwe innovaties snel te integreren in reeds bestaande medische apparaten. In totaal hebben Philips‑apparaten direct invloed op meer dan 1,8 miljard mensen.

Het bedrijf wil een volledig geïntegreerde digitale zorgomgeving creëren, waarin sensoren bij apparaten passen, en vervolgens meerdere connectiviteitsoplossingen gebruiken om te integreren in de Philips HealthSuite Cloud‑oplossing en diepgaande data‑analyse mogelijk te maken.

Bron: Philips

Als leverancier in de MedTech‑industrie, vaak productie voor andere merken, is Philips minder zichtbaar in de sector dan andere, meer prominente bedrijven. Desondanks is het een expert in het bouwen van high‑performance elektronische apparaten en sensoren, en duwt het vaak de grenzen van wat mogelijk is in zijn niche binnen de gezondheidszorg en wearables.

Naarmate wearables en medische elektronica steeds meer worden geïntegreerd in zorg- en medische protocollen, zal Philips’ Healthcare‑segment waarschijnlijk groeien als onderdeel van het conglomeraat.

Laatste Koninklijke Philips N.V.( PHG) Aandelen Nieuws en Ontwikkelingen

Bestudeerde studie

^{1. Shi, Z., Zhang, Z., Schnermann, J. et al. Ultrasound-driven programmable artificial muscles. Nature 646, 1096–1104 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09650-3}