Ultraljudsmuskler: Framtiden för mjukrobotik

Bygga ljudstyrda muskler

För större delen av historien har mekanisk energi levererats av muskler, både mänskliga och djuriska. Det var först med industrialiseringens början som energi från vind (vindkraftverk), vatten (vattenhjul och dammar) och förbränning (ångmaskiner, förbränningsmotorer) kunde utnyttjas.

Men dessa mekaniska system var alltid något underlägsna naturlig rörelse, de krävde komplexa system och underhåll för att uppnå en relativt begränsad rörelsefrihet i jämförelse.

Detta är fortfarande ett problem för robotar, som ofta kräver mycket komplexa uppsättningar av elektriska motorer och avancerad mjukvara för att hålla sig upprätta. Utmaningen är i allmänhet att skapa en fullt kontrollerbar och tillräckligt flexibel rörelse.

Eftersom muskeln är ett så överlägset sätt att generera rörelse har forskare försökt skapa en artificiell variant som kan drivas av elektricitet. Hittills har föreslagna material alltid brustit i prestanda, kostnad eller tillverkningsmetod.

Detta kan förändras tack vare en ny design av artificiell muskel föreslagen av forskare vid ETH Zürich (Schweiz), University of Münster (Tyskland) och University of Nebraska‑Lincoln (USA).

De publicerade i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften Nature¹, under titeln “Ultrasound-driven programmable artificial muscles”

Hur ultraljudsdrevna muskler fungerar

Muskler fungerar genom att öka eller minska sin längd, vilket drar i benet de är fästa vid.

Artificiella muskler har hittills försökt replikera denna idé med flera typer av material:

• Kolnanorör
• Formminneslegeringar
• Pneumatiska (luft) eller hydrauliska system

Dessa system led av antingen bristande tillförlitlighet, finjusterad kontroll, energiförbrukning eller för höga kostnader.

“Kemiska metoder kräver ofta bränslen som kan vara giftiga, ljusbaserade system lider av begränsad vävnadsgenomträngning och potentiell termisk skada, och magnetiska system kräver skrymmande hårdvara samtidigt som de riskerar Joule‑uppvärmning.”

Forskarna i denna studie gick i en ny och annorlunda riktning för att kontrollera den artificiella muskeln: ljud.

Fördelarna med ultraljud

Oavsett om det gäller tillämpningar inom robotik eller biomedicinska implantat har ultraljud fördelen att vara en lättillgänglig styrmetod som är helt icke‑destruktiv.

Ultraljud är också trådlöst, fjärrstyrt, passerar ofarligt genom yttre lager (inklusive organisk vävnad) och har hög rumslig selektivitet (inriktning).

Det är också en teknik som ofta används till låga kostnader, även i kliniska miljöer.

Sammanfattningsvis är ultraljud perfekt för biomedicinska och in‑vivo‑tillämpningar, men kan även användas inom andra områden som robotik, särskilt så kallad mjukrobotik.

Ultraljud blir alltmer populärt bland forskare, som använder det för att ladda medicinska implantat trådlöst, för att bioprinta levande vävnader, och för biomonitorering.

Mikrobubbelmaterial i artificiella muskler

I denna studie skapade forskarna ett material som innehåller en exakt tillverkad matris av mikrobubblor, vilka vid exponering för rätt resonans av ultraljud får materialet att böja sig.

Källa: Nature

Genom att variera storleken på mikrobubblornas matris kan man förändra vilken ultraljudsfrekvens ett givet materialavsnitt reagerar på.

Källa: Nature

Hittills har den kraft som genereras av ultraljud i artificiella muskler varit för svag för praktiska tillämpningar. Men denna nya design är mycket starkare (7,6 μN/mm²), vilket för detta koncept till framkant av potentiella artificiella muskelmaterial.

En högupplöst form skapades med mikropelarmatriser, mönstrade på en kiselplatta med mjuk litografi, för att fungera som negativa formar för cylindriska mikrokavitet.

Ett tunt lager av polydimetylsiloxan (PDMS) spinbelades sedan på plattan, vilket skapade det önskade mikrobubbelmaterialet.

Det slutliga materialet bildade en artificiell muskel (3 cm × 0,5 cm × 80 μm), som innehåller över 10 000 enhetliga mikrobubblor i kavitet (40 μm diameter, 50 μm djup).

Skapa kontrollerad rörelse med ultraljud

Eftersom olika delar av materialet reagerar på olika frekvenser kan modulering av ultraljudet användas för att skapa en exakt kontrollerad vågliknande rörelse, till exempel. Forskarna testade också materialets interaktion med den verkliga världen genom att fånga ett fisklarv, rotera en mandel eller flytta ett grässtrå. Det visade också att metoden var ofarlig för levande organismer, utan uppvärmning eller negativa effekter från ultraljudet.

Forskarna testade sedan om materialet kunde användas för att fästa och flytta organiska vävnader. För att göra detta testade de det med ett grishjärta. De ultraljudsstyrda aktuatorerna förblev fästa och fortsatte att röra sig, vilket överförde kraft till vävnaden.

Källa: Nature

De testade också materialets potential för läkemedelsleverans, där ultraljud användes som utlösare för frisättningen av materialet från mikrobubbelplåsen.

Flytta in‑vivo‑robotar

Till sist skapade forskarna en ”mini‑stingray‑bot” vars vågliknande rörelser kan kontrollera förflyttning i en vätskemiljö.

Källa: Nature

De testade sedan framgångsrikt stingray‑botens rörelse i en gris mage och tarm.

Vid frisättning skjuter stingray‑boten framåt med en initial hastighet på cirka 0,8 kroppslängder per sekund, vilket demonstrerar systemets förmåga att röra sig inuti ett djurs inre organ.

Källa: Nature

Sammanlagt bekräftade dessa experiment materialets potential för in‑vivo‑användning av trådlösa och bärbara enheter.

Tillämpningar

Studien fokuserade på potentiella biomedicinska tillämpningar, eftersom detta kan vara den mest direkta användningen av tekniken. Mjukrobotik används i allt högre grad för att integrera material inom medicin, till exempel för att leverera anticancermedel eller andra behandlingar till rätt organ.

Denna metod kan också utökas till större delar, åtminstone upp till centimeterskala, och med många frihetsgrader i rörelsen.

Så i framtiden kan sådana artificiella muskler användas för robotik, flexibel elektronik, bärbar teknik, proteser, biomedicinsk instrumentering osv.

Ytterligare förbättringar kan också göra detta koncept ännu kraftfullare och mer användbart:

• Det verkar som att konvergerande trapetsformade kavitet kan generera ungefär 3 × starkare strömningshastigheter än divergerande former. Så kan geometrisk och densitetsoptimering skapa aktuatorer med skräddarsydda deformationsprofiler.
• En konfokal ljudkälla kan uppnå starkare deformation och mer exakt målning av en specifik del av den artificiella muskeln.
• Hydrogel och biologiskt nedbrytbara polymerer kan också användas för fler biomedicinska tillämpningar.

Svep för att rulla →

Investera i HealthTech 

Philips är ett välkänt konsumentmärke för små elektronikprodukter (rakapparater, elektriska tandborstar) och är lika aktivt inom hälso- och sjukvård. Till exempel var de nummer 1 för MedTech‑patentansökningar i Europa 2022 och bland de tre bästa de följande åren.

De är aktiva inom anslutna medicinska produkter, från bärbara enheter till bilddiagnostik, respiratorer och medicinska robotar.

Företaget är också aktivt inom halvledare (inklusive maglev‑teknik) samt högteknik/robotik/automation, där varje verksamhet delar en gemensam teknologisk grund.

Källa: Philips

Philips erbjuder bärbara enheter för hjärt-, andnings- och aktivitetsmått. Deras sensorer kan integreras i smartklockor, hälsomonitorer, medicinska plåster och aktivitetsspårare.

Philips expertis inom biokompatibla sensorer, halvledare och trådlösa lösningar kan göra dem till ledande inom avancerade medicinska implantat som utnyttjar ultraljud.

För medicintekniska produkter föredrar Philips en partnerskapslösning, där de utvecklar för tredje part deras anslutna IoT‑medicintekniska enheter som är fullt kompatibla med resten av Philips lösningar. I detta sammanhang erbjuder de sina kunder prototypframtagning, regulatorisk rådgivning, helhetsproduktutveckling och industriell produktion.

Detta gör Philips till ett teknikfokuserat företag och en sannolik kandidat för att snabbt integrera nya innovationer i redan befintliga medicintekniska produkter. Totalt påverkade Philips enheter direkt över 1,8 miljarder människor.

Företaget vill skapa en fullt integrerad digital vårdmiljö, där sensorer matchar enheter, och sedan använda flera anslutningslösningar för att integrera i Philips HealthSuite Cloud‑lösning och möjliggöra djupgående dataanalys.

Källa: Philips

Som leverantör inom MedTech‑industrin, ofta tillverkande för andra varumärken, är Philips inte lika synligt i sektorn som andra, mer framstående företag. Däremot är de experter på att bygga högpresterande elektroniska enheter och sensorer, och de driver ofta gränserna för vad som är möjligt inom deras nisch i hälso- och bärbar teknik.

Med bärbara enheter och medicinsk elektronik som i allt högre grad integreras i vård- och medicinska protokoll, kommer Philips Healthcare‑segment sannolikt att växa som en del av koncernen.

Senaste Koninklijke Philips N.V.( PHG) Aktier Nyheter och Utveckling

Studie refererad

^{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}