Muskelbaserte aktuatorer kan maksimere potensialet til robotløsninger

En gruppe innovative ingeniører fra MIT har nettopp laget muskelbaserte aktuatorer som kan revolusjonere robotikk. De kreative hodene kombinerte en spesialdesignet monodireksjonal aktuator med laboratoriedyrkede muskelceller. Denne strukturen gjorde enheten lettvektig og forbedret ytelsen. Slik kan denne nye muskelbaserte aktuatoren bidra til å drive roboter i fremtiden.

Bio Flexures Muscle-Based Actuators

Et papir publisert i tidsskriftet Advanced Intelligent Systems forklarer hvordan en ny type bio‑fleksur kan gi repeterbare og pålitelige resultater som er mange ganger mer effektive enn et tidligere forsøk. For å oppnå dette måtte teamet reinvente konseptet med en fleksur.

Flexures

Fleksurer er ettergivelige mekaniske elementer som kan fungere som aktuatorer. En aktuator er en enhet som kan omdanne en form for energi til en kontrollerbar respons. De finnes i de fleste roboter i en eller annen form, og forbedring av disse enhetene har en umiddelbar effekt. Noen aktuatorer konverterer varme, trykk, elektrisitet og magnetisk energi.
Fleksurer er fjærlignende enheter som utnytter en stiv struktur for å fungere som aktuatorer. De er populære i roboter fordi de kan justeres for å gi mikro‑presise bevegelser. Disse aktuatorene er små og lette, noe som gjør dem ideelle for slike oppgaver.

Biohybrid Flexures

MIT-ingeniørene brukte en kombinasjon av nye materialer og design for å oppnå bedre ytelse fra sin skapning. For eksempel laget de et tynnere fleksurdesign som fungerer som et skjelett. Fleksuren har en pinne koblet til baselag på hvert hjørne. Det finnes også jord‑, kam‑, mobil- og monteringspinner.
Flere rektangler innebygd i hverandre ble designet for å skape nøyaktig muskelspenning når det trengtes. Ingeniørene bandt deretter muskelbånd spesifikt for å gi presise sammentrekninger. Teamet gjennomførte en rekke tester og samlet inn data. Merkverdig var resultatene overraskende, med enheten som forbedret alle krav. I tillegg kan dataene bidra til å lage de første produksjonsstandardene i den myke robotindustrien.

Testing

Rapporten detaljert hvordan forskerne utviklet en ny metode for dynamisk justering av muskelkontraksjon for å forbedre ytelsen til deres bio‑hybride aktuator. Testingen startet med å måle avstanden mellom stolpene. Deretter ble fleksuren strukket og responderte fem ganger.
Denne frekvensuavhengige testingen gjorde det mulig for forskerne å nøyaktig fastslå når muskelutmattelse hadde påvirket ytelsen. Justeringen gjorde også at de kunne oppnå maksimal utholdenhet fra sine skapninger og trykkteste deres kapasiteter. Den mer intense testingen viste interessante resultater. For eksempel avdekket den at høyere intervaller brente ut muskelfibrene raskere.

Adjustability

Ingeniørene justerte kraften i fleksuren ved å endre hvor tynne eller hvor langt fra hverandre de bjelker som kobles til basene er plassert. Oppsettet ble designet for å optimalisere muskelens naturlige bevegelse og kombinere den med fleksurens stivhet og bevegelsesgrad. Merkverdig er at den nye bio‑hybride fleksoren er den mest kraftfulle og presise hittil.
Den kan bøye og strekke seg med nanometerpresisjon, noe som gjør den ideell for mikrorobotikk. I tillegg gir den økte slagutgangen høyere ytelse og pålitelighet. Disse faktorene har hjulpet forskningsteamet med å få mer interesse for sine funn.

Skeletal Muscle Tissues

MIT-teamet undersøkte ulike muskeltyper før de bestemte seg for sitt endelige valg. Muskelvev fra mus ble valgt på grunn av tilgjengelighet, rimelighet og evne til å dyrkes i laboratorium. Den resulterende muskelfiberen var pålitelig og bidro til å drive prosjektet mot suksess ifølge forskerne.

Muscle Fibers vs Synthetic Actuators

Muskelfibre er flinke til å omdanne mekanisk og elektrisk energi til kontrollerbare handlinger. Derfor er det fornuftig at robotikkingeniører ønsker å duplisere disse fordelene. Sammenlignet med tradisjonelle aktuatorer muliggjør bio‑hybride aktuatorer ultranøyaktig bevegelse. De tilbyr en kombinasjon av styrke, effektivitet og tilpasningsevne som fortsatt gjør dem til et diskusjonstema.
I tillegg bruker disse enhetene mindre energi, gir bedre sporbarhet av kapasiteter og kan være mye mindre. De viktigste faktorene som bestemmer en aktuators kvalitet er evnen til å levere pålitelige resultater, holdbarhet, nøyaktighet og kraftkapasitet. Muskelfiberaktuatorer viser fortsatt løfter som den ideelle løsningen for markedet.

Biohybrid Robots

Ideen om roboter som bruker organisk materiale kan virke som tatt rett fra en sci‑fi‑thriller. Likevel har bio‑hybride roboter eksistert i over et tiår. Disse maskinene kombinerer naturlige elementer, som muskelfibre, med robotfunksjoner for å skape imponerende resultater.
Allerede finnes det roboter som bruker muskelbaserte aktuatorer for å duplisere komplekse menneskelige oppgaver som svømming eller dans. Disse “myke robotene” utnytter et kunstig skjelett for struktur og stabilitet. Denne tilnærmingen gjør det mulig for ingeniører å skape mer artikulerte og presise bevegelser som kan matche delikatessen til en menneskehånd.

Types of Biohybrid Robots

Det finnes mange forskjellige typer bio‑hybride roboter i bruk i dag. Disse enhetene er like mangfoldige som verden rundt deg. De tre hovedkategoriene er mikroorganismer, vev og skjelett.

• Mikroorganiske roboter er bygget inn i eller utnytter cellekomponenter for å utføre oppgaver. De er utrolig små, noe som gjør dem ideelle for oppgaver som krever eksepsjonell presisjon. Dermed kan disse små robotene en dag hjelpe deg med å helbrede eller utføre helseskanninger av luften du puster.
• Vevbaserte roboter utnytter muskelfibre og annet vev dyrket i laboratoriet. Disse enhetene kan bli en spillveksler innen proteser. Tenk deg en robot som hjelper blinde mennesker å se eller amputerte å gå. I tillegg reduserer kombinasjonen av biologisk vev og robotikk kostnadene for små repeterende oppgaver og muliggjør selvhelbredende maskiner.
• Skjelettbaserte roboter bruker en bio‑basert skjelettstruktur som gjør dem ideelle for å duplisere visse naturlige bevegelser. Gåing, hopping og dans er alle eksempler på naturlige bevegelser som skjelettbaserte roboter fortsetter å mestre.

Challenges Faced By Soft Robots

Et av hovedproblemene myke robotingeniører møter er fullstendig mangel på enhetlige design‑ og modelleringsverktøy. Denne mangelen på standardisering har ført til at industrien har spredt seg i alle retninger, med mye innsats tapt i å gjenta lignende oppgaver. I tillegg legger den uforutsigbare naturen til biologiske elementer til en ekstra variabel som ingeniører må håndtere.

Duplication Problems

I motsetning til maskinbearbeidede deler som kan garanteres å være identiske hver gang, kan laboratoriedyrkede muskelceller oppføre seg forskjellig. For eksempel vet du at muskelen vil trekke seg sammen hvis den strekkes, men å oppnå samme resultat hver gang uten å nå feil er nøkkelen.
Dermed er det komplisert å lage biologiske komponenter som gir samme ytelse. Interessant nok kan fremskritt innen 3D‑vevprinting åpne døren for å løse dette problemet i fremtiden.

Standards

Suksessen med dette prosjektet kan bidra til å etablere noen universelle standarder i den bio‑hybride robotsektoren. For øyeblikket finnes det mange ulike prosjekter, med forskjellige oppsett, som har samme mål. Den siste innovasjonen ble designet for å være en universell bio‑mekanisk aktuator.
Denne tilnærmingen gjør det mulig for robotikkingeniører å bruke disse enhetene når som helst og redusere utviklingstiden. I tillegg kan disse innretningene kombineres med andre alternativer for å støtte enhver type robotisk skjelettstruktur. Denne modellen gjør det mulig for ingeniører å lage komplekse bio‑hybrider som kan justeres for å tjene spesifikke roller.

MIT Engineers

Ingeniørteamet bak dette fordelaktige arbeidet inkluderer Ritu Raman, Alex d’Arbeloff, Naomi Lynch, Tara Sheehan, Nicolas Castro, Laura Rosado, Brandon Rios og professor i maskinteknikk Martin Culpepper. Merkverdig er at Culpepper er kjent for sine prosjekter innen miniatyrrobotmekanismer.
Det er denne erfaringen og deres oppfinnsomhet som gjorde det mulig for teamet å teste en rekke aktuatorer før de slo fast sin endelige beslutning. De fant at den trekkspill‑lignende innretningen gjorde at muskelvevet kunne trekke seg sammen naturlig samtidig som den økte fjærens kraft.

Advantages of Biohybrid Tech

Det finnes mange grunner til at ingeniører har søkt å kombinere biologi og robotikk. Denne sammenslåingen kan bringe uendelig potensial til markedet. Tenk deg roboter som blir sterkere etter hvert som de arbeider, eller som kan helbrede og tilpasse seg når det trengs.

Sensory Perception

Bio‑hybride roboter integrerer biologi på cellenivå, noe som betyr at disse enhetene kan utnytte organisk materiale. Naturen er full av fantastiske sanseorganer som kan oppdage alt fra retning til elektriske pulser. Ingeniører ønsker å utnytte disse naturlige sensorene for å utvide robotens kapasiteter.

Brain Interface

Et annet fokusområde for bio‑hybride ingeniører er å forbedre hvordan mennesker samhandler med maskiner. For eksempel har Elon Musk brukt betydelige midler på neural‑link‑grensesnittet, som kobles til hjernens nevrale nettverk og tolker kommandoer direkte fra tanker.

Next-Gen Prosthetics

Mange ser helsevesenet som sektoren som har mest å vinne på integrering av myke roboter. Tenk deg en protese laget av ekte muskelvev, som personen kan jobbe med for å forbedre, og som vil gjenskape de følelsene de forbinder med lemmen.

Sustainability

En av de største fordelene med bio‑hybridteknologi er evnen til å lage roboter som smelter perfekt inn i sine omgivelser. Disse enhetene kan en dag overvåke miljøet og til og med bidra til å reparere det. For eksempel, tenk deg sensorer som kan spore og redusere forurensningsnivåer.

Future Use Cases for Muscle-Based Actuators

Det finnes mange fremtidige bruksområder for denne typen muskelbaserte aktuator. Disse lettvektige løsningene kan brukes til å drive en ny generasjon av mikrorobotikk. Teorien har vist seg å forbedre effektiviteten. Dermed får teamets handlinger mye oppmerksomhet fra avionikk til helsevesen.

Robots Get Lighter, Smaller, and More Accurate

Det er fornuftig å redusere strømforbruk og vekt. Du får mer levetid og kraft ut av enhetene dine. Som følge av dette søker flere ingeniører etter strøm‑effektive alternativer som enkelt kan tilpasses ulike scenarier. Den bio‑hybride aktuatoren smelter sammen biologi og robotikk sømløst for å forbedre liv, effektivitet og kapasiteter. Av disse grunner er prosjektet verdt å følge med på fremover.

Du kan lære mer om spennende utviklinger innen robotikk her.