Ultralydmuskler: Fremtiden for myk robotikk

Bygge lydkontrollerte muskler

For mesteparten av historien ble mekanisk energi levert av muskler, enten menneskelige eller dyre. Det var først med begynnelsen av den industrielle revolusjonen at energi fra vind (vindmøller), vann (vannmøller og dammer) og forbrenning (dampmaskiner, forbrenningsmotorer) kunne høstes.

Men disse mekaniske systemene var alltid noe underlegne naturlig bevegelse, og krevde komplekse systemer og vedlikehold for å oppnå en relativt dårlig bevegelsesfrihet sammenlignet.

Dette er fortsatt et problem for roboter, som ofte krever svært komplekse oppsett av elektriske motorer og avansert programvare for å holde seg oppreist. Problemet er generelt å skape en fullt kontrollerbar og tilstrekkelig fleksibel bevegelse.

Så, siden muskelen er en så overlegen måte å generere bevegelse på, har forskere sett på å lage en kunstig variant som kan drives av elektrisitet. Inntil nå har foreslåtte materialer alltid vært utilstrekkelige i ytelse, kostnader eller produksjonsmetode.

Dette kan endre seg, takket være et nytt design av kunstig muskel foreslått av forskere ved ETH Zürich (Sveits), University of Münster (Tyskland) og University of Nebraska‑Lincoln (USA).

De publiserte i det prestisjetunge vitenskapelige tidsskriftet Nature¹, under tittelen “Ultrasound-driven programmable artificial muscles”

Hvordan ultralyd‑drevne muskler fungerer

Muskler fungerer ved å øke eller redusere muskelens lengde, og trekker i beinet den er festet til.

Kunstige muskler har så langt forsøkt å gjenskape denne ideen med flere typer materialer:

• Karbonnanorør
• Formminnelegeringer
• Pneumatiske (luft) eller hydrauliske systemer

Disse systemene led alle av enten mangel på pålitelighet, finjustert kontroll, energiforbruk eller for høye kostnader.

“Kjemiske metoder krever ofte drivstoff som kan være giftig, lyssystemer lider av begrenset vevspenetrasjon og potensiell termisk skade, og magnetiske systemer krever klumpete maskinvare samtidig som de risikerer Joule‑oppvarming.”

Forskerne i denne studien gikk i en ny og annerledes retning for å kontrollere den kunstige muskelen: lyder.

Fordelene med ultralyd

Enten det gjelder applikasjoner innen robotikk eller biomedisinske implantater, har ultralyd fordelen av å være en lett å skape kontrollmetode som er helt ikke‑destruktiv.

Ultralyd er også trådløst, fjernstyrt, passerer ufarlig gjennom ytre lag (inkludert organisk vev), og har høy romlig selektivitet (målretting).

Det er også en teknologi som vanligvis brukes til lave kostnader, også i klinisk setting.

Dermed er ultralyd perfekt for biomedisinske og in‑vivo‑applikasjoner, men kan også brukes i andre felt som robotikk, spesielt såkalt myk robotikk.

Ultralyd er i økende grad populært blant forskere, som bruker den til drifte medisinske implantater trådløst, til bioprinte levende vev, og for biomonitorering.

Mikrobobbelmaterialer i kunstige muskler

I denne studien laget forskerne et materiale som inneholder et presist fremstilt array av mikrobobler, som når de eksponeres for riktig resonans av ultralyd, får materialet til å bøye seg.

Kilde: Nature

Når størrelsen på mikrobobbel‑arrayet varieres, kan det endre hvilken ultralydfrekvens en gitt del av materialet reagerer på.

Kilde: Nature

Hittil har kraften generert av ultralyd i kunstig muskel vært for svak til praktiske anvendelser. Men dette nye designet er mye sterkere (7,6 μN/mm²), og bringer et slikt konsept til fronten av potensielle kunstige muskelmaterialer.

En høyoppløselig støpeform ble laget med mikropilar‑array, mønstret på en silisiumskive ved bruk av myk litografi, for å fungere som negative former for sylindriske mikrokaviter.

Et tynt lag av polydimetylsiloksan (PDMS) ble deretter spin‑coated på skiven, og skapte det ønskede mikrobobbelmaterialet.

Det endelige materialet dannet en kunstig muskel (3 cm × 0,5 cm × 80 μm), som inneholder over 10 000 uniforme mikrobobler i hulrom (40 μm diameter, 50 μm dybde).

Skape kontrollert bevegelse med ultralyd

Fordi ulike deler av materialet reagerer på forskjellige frekvenser, kan modulering av ultralyd brukes til å skape en presist kontrollert bølgende bevegelse, for eksempel. Forskerne testet også interaksjoner av materialet med den virkelige verden, ved å bruke det til å fange en fiskeløype, rotere en mandel, eller flytte et gressblad. Det demonstrerte også at metoden var ufarlig for levende organismer, uten oppvarming eller negative effekter fra ultralyd.

Forskerne testet deretter om materialet kunne brukes til å feste og bevege organisk vev. For å gjøre dette testet de det med et svinehjerte. De ultralyd‑kontrollerte aktuatorene forble festet og fortsatte å bevege seg, og overførte kraft til vevet.

Kilde: Nature

De testet også materialets potensial for legemiddellevering, med ultralyd brukt som utløsning for frigjøring av materialet fra mikrobobbel‑plasteret.

Bevege in‑vivo‑roboter

Til slutt utviklet forskerne en «mini‑stingray‑robot» hvis bølgninger kan kontrollere bevegelsen i et flytende miljø.

Kilde: Nature

De testet deretter med suksess bevegelsen av stingray‑roboten inn i en gris’ mage og tarm.

Ved frigjøring skyver stingray‑roboten seg fremover med en innledende hastighet på omtrent 0,8 kroppslengder per sekund, og demonstrerer systemets evne til å bevege seg inne i et dyrs indre organer.

Kilde: Nature

Alt i alt bekreftet disse eksperimentene materialets potensial for in‑vivo‑bruk av trådløse og bærbare enheter.

Applikasjoner

Studien fokuserte på potensielle biomedisinske applikasjoner, da dette kan være den mest rett fremme bruken av teknologien. Myk robotikk brukes i økende grad til å integrere materialer i medisin, for eksempel å levere anti‑kreftlegemidler eller andre behandlinger til riktig organ.

Denne metoden kan også utvides til større deler, minst opp til centimeter‑skala, og med mange frihetsgrader i bevegelse.

Så senere kan slike kunstige muskler brukes til robotikk, fleksibel elektronikk, bærbar teknologi, proteser, biomedisinsk instrumentering osv.

Videre forbedringer kan også gjøre dette konseptet enda kraftigere og mer nyttig:

• Det ser ut til at konvergerende trapesformede hulrom kan generere omtrent 3 ganger sterkere strømningshastigheter enn divergerende former. Så geometrisk og tetthetsoptimalisering kan skape aktuatorer med skreddersydde deformasjonsprofiler.
• En konfokal lydkilde kan oppnå sterkere deformasjon og mer presis målretting av en spesifikk del av den kunstige muskelen.
• Hydrogel og biologisk nedbrytbare polymerer kan også brukes til flere biomedisinske applikasjoner.

Sveip for å rulle →

Investere i HealthTech 

Philips er et velkjent forbrukerelektronikkmerke (barbermaskiner, elektriske tannbørster), som også er aktiv innen helsevesenet. For eksempel var de nummer 1 for MedTech‑patentinnleveringer i Europa i 2022 og blant de tre beste i påfølgende år.

De er aktive innen tilkoblede medisinske produkter, fra bærbare enheter til bildediagnostikk, respiratorer og medisinske roboter.

Selskapet er også aktivt innen halvledere (inkludert maglev‑teknologi) og høyteknologi/robotikk/automatisering, med hver aktivitet som deler en felles teknologisk base.

Kilde: Philips

Philips tilbyr bærbare enheter for hjerte-, respirasjons- og aktivitetsmålinger. Sensorene deres kan integreres i smartklokker, helsesporere, medisinske plaster og aktivitetsmålere.

Philips sin ekspertise innen biokompatible sensorer, halvledere og trådløse løsninger kan gjøre dem til en leder innen avanserte medisinske implantater som utnytter ultralyd.

For medisinske enheter foretrekker Philips en partnerskapsløsning, hvor de utvikler for tredjepart deres tilkoblede IoT‑medisinske enheter som er fullt kompatible med resten av Philips sine løsninger. I den sammenhengen tilbyr de sine kunder prototyping, regulatorisk rådgivning, ende‑til‑ende produktutvikling og industriell produksjon.

Dette gjør Philips til et teknologifokusert selskap og en sannsynlig kandidat for raskt å integrere nye innovasjoner i allerede eksisterende medisinske enheter. Totalt påvirket Philips sine enheter direkte over 1,8 milliarder mennesker.

Selskapet ønsker å skape et fullt integrert digitalt helsemiljø, hvor sensorer matcher enheter, og deretter bruke flere tilkoblingsløsninger for å integrere i Philips HealthSuite Cloud‑løsningen og muliggjøre dyptgående dataanalyse.

Kilde: Philips

Som leverandør i MedTech‑industrien, ofte med produksjon for andre merker, er Philips ikke like synlig i sektoren som andre, mer fremtredende selskaper. Imidlertid er de eksperter på å bygge høyytelses elektroniske enheter og sensorer, og presser ofte grensene for hva som er mulig i deres nisje innen helsevesen og bærbare enheter.

Etter hvert som bærbare enheter og medisinsk elektronikk i økende grad integreres i helsevesen og medisinske protokoller, vil Philips sin Healthcare‑segment sannsynligvis vokse som en del av konglomeratet.

Siste Koninklijke Philips N.V.( PHG) aksjenyheter og utviklinger

Studie referert

^{1. Shi, Z., Zhang, Z., Schnermann, J. et al. Ultralyd‑drevne programmerbare kunstige muskler. Nature 646, 1096–1104 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09650-3}