Muskelförsedda aktuatorer kan maximera potentialen hos robotlösningar

En grupp innovativa ingenjörer från MIT har precis skapat muskelförsedda aktuatorer som kan revolutionera robotik. De kreativa sinnena kombinerade en speciellt designad ensidigt riktad aktuator med laboratorieodlade muskelceller. Denna struktur gjorde enheten lättviktig och förbättrade prestandan. Här är hur denna nya muskelförsedda aktuator kan hjälpa till att driva robotar i framtiden.

Bioflexurer med muskelförsedda aktuatorer

Ett artikel publicerat i tidskriften Advanced Intelligent Systems förklarar hur en ny typ av bioflexur kan ge repeterbara och pålitliga resultat som är många gånger mer effektiva än ett tidigare försök. För att genomföra detta behövde teamet omdefiniera konceptet av en flexur.

Flexurer

Flexurer är eftergivna mekaniska element som kan fungera som aktuatorer. En aktuator är en enhet som kan omvandla någon form av energi till ett kontrollerbart svar. De finns i de flesta robotar i någon form och förbättring av dessa enheter har en omedelbar effekt. Vissa aktuatorer omvandlar värme, tryck, elektricitet och magnetisk energi.
Flexurer är fjädlika enheter som utnyttjar en stel struktur för att fungera som aktuatorer. De är populära i robotar eftersom de kan justeras för att ge mikroexakta rörelser. Dessa aktuatorer är små och lätta, vilket gör dem idealiska för dessa uppgifter.

Biohybrida flexurer

MIT-ingenjörerna använde en kombination av nya material och design för att möjliggöra bättre prestanda från deras skapelse. Till exempel skapade de en tunnare flexurdesign som fungerar som ett skelett. Flexuren har en pinne som är ansluten till baslagret i varje hörn. Det finns också jord-, kam-, mobil- och monteringspinnar.
Flera rektanglar inuti varandra designades för att skapa exakt muskelspänning när det behövdes. Ingenjörerna band sedan muskelband specifikt för att ge exakta sammandragningar. Teamet genomförde sedan en serie tester och samlade in data. Resultaten var särskilt ögonöppnande då enheten förbättrade alla krav. Dessutom kan data hjälpa till att skapa de första tillverkningsstandarderna inom mjukrobotindustrin.

Testning

Rapporten beskrev hur forskare skapade en ny metod för dynamisk justering av muskelkontraktion för att förbättra prestandan hos deras biohybrida aktuator. Testningen började med att mäta avståndet mellan stolparna. Därefter sträcktes flexuren och svarade fem gånger.
Denna frekvensoberoende testning gjorde det möjligt för forskarna att exakt fastställa när muskeltrötthet hade påverkat prestandan. Denna justering gjorde det också möjligt att få maximal uthållighet ur deras skapelser och trycktesta deras kapacitet. Den mer intensiva testningen visade intressanta resultat. Till exempel avslöjade den att högre intervaller brände ut muskelcellerna snabbare.

Justerbarhet

Ingenjörerna ändrade flexurens kraft genom att justera hur tunna eller hur långt ifrån varandra balkarna som ansluter till baserna är placerade. Layouten designades för att optimera muskelns naturliga rörelse och kombinera den med flexurens styvhet och rörelseomfång. Särskilt är den nya biohybrida flexorn den mest kraftfulla och exakta hittills.
Den kan böja och sträcka sig med nanometerprecision, vilket gör den idealisk för mikrorobotik. Dessutom ger den ökade slaglängden högre prestanda och tillförlitlighet. Dessa faktorer har hjälpt forskarteamet att få större intresse för deras resultat.

Skelettmuskelvävnader

MIT-teamet undersökte olika muskeltyper innan de bestämde sig för sitt slutgiltiga alternativ. Muskelvävnad från möss valdes på grund av dess tillgänglighet, prisvärdhet och förmåga att odlas i laboratorium. Den resulterande muskelfibrerna var pålitliga och hjälpte till att driva projektet mot framgång enligt forskarna.

Muskelfibrer vs syntetiska aktuatorer

Muskelfibrer är utmärkta på att omvandla mekanisk och elektrisk energi till kontrollerbara handlingar. Det är därför logiskt att robotikingenjörer försöker duplicera dessa fördelar. Jämfört med traditionella aktuatorer möjliggör biohybrida aktuatorer ultraprecisa rörelser. De erbjuder en kombination av styrka, effektivitet och anpassningsförmåga som fortsätter att göra dem till ett diskussionsämne.
Dessutom använder dessa enheter mindre energi för att fungera, erbjuder bättre spårbarhet av kapaciteter och kan vara mycket mindre. De viktigaste faktorerna som bestämmer en aktuators kvalitet är dess förmåga att leverera pålitliga resultat, hållbarhet, noggrannhet och kraftkapacitet. Muskelfiberaktuatorer fortsätter att visa lovande resultat som den ideala lösningen för marknaden.

Biohybrida robotar

Idén med robotar som använder organiskt material kan verka som något ur en sci-fi-thriller. Men biohybrida robotar har redan funnits i över ett decennium. Dessa maskiner kombinerar naturliga komponenter, såsom muskelfibrer, med robotfunktioner för att skapa imponerande resultat.
Redan finns det robotar som använder muskelförsedda aktuatorer för att duplicera komplexa mänskliga uppgifter som simning eller dans. Dessa “mjuka robotar” utnyttjar ett artificiellt skelett för struktur och stabilitet. Denna metod gör det möjligt för ingenjörer att skapa mer artikulerade och precisa rörelser som kan matcha en människohands känslighet.

Typer av biohybrida robotar

Det finns många olika typer av biohybrida robotar i bruk idag. Dessa enheter är lika mångsidiga som världen omkring dig. De tre huvudkategorierna är mikroorganismer, vävnad och skelett.

• Mikroorganiska robotar är inbyggda i eller utnyttjar cellkomponenter för att utföra uppgifter. De är otroligt små, vilket gör dem idealiska för uppgifter som kräver exceptionell precision. Således kan dessa små robotar en dag hjälpa dig att läka eller utföra hälsoskanningar av den luft du andas.
• Vävnadsbaserade robotar utnyttjar muskelfibrer och annan vävnad som odlas i laboratorium. Dessa enheter kan bli en spelväxlare inom protesområdet. Föreställ dig en robot som hjälper blinda personer att se eller amputerade att gå. Dessutom minskar kombinationen av biologisk vävnad med robotik kostnaderna för små repetitiva uppgifter och möjliggör självläkande maskiner.
• Skelettbaserade robotar använder en bio-baserad skelettstruktur som gör dem idealiska för att duplicera vissa naturliga rörelser. Gång, hopp och dans är alla exempel på naturliga rörelser som skelettbaserade robotar fortsätter att bemästra.

Utmaningar för mjuka robotar

Ett av de största problemen som mjuka robotingenjörer möter är en total brist på enhetliga design- och modelleringsverktyg. Denna brist på standardisering har lett industrin att splittras åt alla håll, med mycket ansträngning som går förlorad i att upprepa liknande uppgifter. Dessutom lägger den oförutsägbara naturen hos biologiska element till en ytterligare variabel som ingenjörer måste hantera.

Dupliceringsproblem

Till skillnad från maskintillverkade delar som kan garanteras vara identiska varje gång, kan laboratorieodlade muskelceller fungera olika. Till exempel vet du att muskeln kommer att kontrahera om den sträcks, men att få samma resultat varje gång utan att nå ett fel är nyckeln.
Därför är det komplicerat att skapa biologiska komponenter som levererar samma prestanda. Intressant nog kan framsteg inom 3D-vävnadsutskrift öppna dörren för att lösa detta problem i framtiden.

Standarder

Framgången för detta projekt kan hjälpa till att fastställa några universella standarder inom den biohybrida robotsektorn. För närvarande finns det många olika projekt som använder olika uppsättningar för att uppnå samma mål. Den senaste innovationen designades för att vara en universell bio-mekanisk aktuator.
Denna metod gör det möjligt för robotingenjörer att använda dessa enheter när de behövs och minska utvecklingstiden. Dessutom kan dessa fästen kombineras med andra alternativ för att stödja vilken typ av robotiskt skelettstruktur som helst. Denna modell möjliggör för ingenjörer att skapa komplexa biohybrider som kan justeras för att fylla specifika roller.

MIT-ingenjörer

Ingenjörsteamet bakom detta fördelaktiga arbete inkluderar Ritu Raman, Alex d’Arbeloff, Naomi Lynch, Tara Sheehan, Nicolas Castro, Laura Rosado, Brandon Rios och professor i maskinteknik Martin Culpepper. Culpepper är särskilt känd för sina satsningar på miniatyrrobotmekanismer.
Det är denna erfarenhet och deras uppfinningsrikedom som gjorde det möjligt för teamet att testa en mängd olika aktuatorer innan de bestämde sig för sitt slutgiltiga val. De fann att den dragspelsliknande fästet gjorde det möjligt för muskelvävnaden att kontrahera naturligt samtidigt som det ökade fjäderns kraft.

Fördelar med biohybrid teknik

Det finns många anledningar till att ingenjörer har försökt kombinera biologi och robotik. Denna sammanslagning kan ge oändlig potential till marknaden. Föreställ dig robotar som blir starkare när de arbetar eller kan läka och anpassa sig när det behövs.

Sensorisk perception

Biohybrida robotar integrerar biologi på cellnivå, vilket innebär att dessa enheter kan utnyttja organiskt material. Naturens är full av fantastiska sensoriska organ som kan upptäcka allt från riktning till elektriska pulser. Ingenjörer vill utnyttja dessa naturliga sensorer för att utöka robotarnas kapacitet.

Hjärninterface

Ett annat fokusområde för biohybrida ingenjörer är att förbättra hur människor interagerar med maskiner. Till exempel har Elon Musk investerat betydande medel i neural link-gränssnittet, som ansluter till hjärnans neurala nätverk och tolkar kommandon direkt från tankar.

Nästa generations proteser

Många ser hälso- och sjukvården som den sektor som har mest att vinna på integration av mjuka robotar. Tänk dig en protes tillverkad av riktig muskelvävnad, en som personen kan arbeta med för att förbättra, och som skulle replikera de känslor de förknippar med lemmen.

Hållbarhet

En av de största fördelarna med biohybrid teknik är förmågan att skapa robotar som smälter perfekt med sina omgivningar. Dessa enheter kan en dag övervaka miljön och till och med hjälpa till att reparera den. Till exempel, tänk på sensorer som kan spåra och minska föroreningsnivåer.

Framtida användningsområden för muskelförsedda aktuatorer

Det finns många framtida användningsområden för denna typ av muskelförsedda aktuator. Dessa lätta lösningar kan användas för att driva en ny generation av mikrorobotik. Teorin har visat sig förbättra effektiviteten. Därför får teamets arbete mycket uppmärksamhet, från avionik till hälso- och sjukvård.

Robotar blir lättare, mindre och mer exakta

Att minska energiförbrukning och vikt är logiskt. Du får längre livslängd och mer kraft ur dina enheter. Följaktligen söker fler ingenjörer energisnåla alternativ som enkelt kan anpassas till olika scenarier. Den biohybrida aktuatorn förenar biologi och robotik sömlöst för att förbättra liv, effektivitet och kapacitet. Av dessa skäl är projektet värt att följa framöver.

Du kan lära dig mer om spännande utvecklingar inom robotik här.