Ang mga Muscle-Based Actuator ay Maaaring Pahusayin ang Potensyal ng mga Solusyon sa Robotika

Isang grupo ng mga makabagong inhinyero mula sa MIT ang kamakailan lamang lumikha ng mga muscle-based actuator na maaaring magbago ng larangan ng robotika. Pinag-isa ng mga malikhaing isip ang isang espesyal na dinisenyong mono-directional actuator sa mga selulang kalamnan na pinalaki sa laboratoryo. Ang estrukturang ito ay nagbigay-daan sa aparato na maging magaan at mapabuti ang pagganap. Narito kung paano makatutulong ang bagong muscle-based actuator na ito sa pagpapagana ng mga robot sa hinaharap.

Bio Flexures na Batay sa Kalamnan

Isang paper na inilathala sa journal na Advanced Intelligent Systems ay nagpapaliwanag kung paano ang isang bagong uri ng bio flexure ay maaaring magbigay ng paulit-ulit at maaasahang resulta na maraming beses na mas epektibo kaysa sa nakaraang pagsubok. Upang magawa ito, kinailangan ng koponan na muling likhain ang konsepto ng flexure.

Flexures

Ang mga flexure ay mga compliant na mekanikal na elemento na maaaring magsilbing actuator. Ang actuator ay isang aparato na maaaring mag-convert ng anumang anyo ng enerhiya sa isang kontroladong tugon. Makikita ang mga ito sa karamihan ng robotika sa iba’t ibang anyo at ang pagpapabuti sa mga aparatong ito ay may agarang epekto. Ang ilang actuator ay nagko-convert ng init, presyon, kuryente, at magnetic na enerhiya.

Ang mga flexure ay mga kagaya ng spring na aparato na gumagamit ng matibay na estruktura upang magsilbing actuator. Sila ay popular sa mga robot dahil maaaring i-adjust upang magbigay ng micro-accurate na galaw. Ang mga actuator na ito ay maliit at magaan kaya’t perpekto para sa mga gawaing ito.

Biohybrid Flexures

Gumamit ang mga inhinyero ng MIT ng kombinasyon ng mga bagong materyales at disenyo upang mapabuti ang pagganap ng kanilang likha. Halimbawa, lumikha sila ng mas manipis na disenyo ng flexure na kumikilos tulad ng isang skeleton. Ang flexure ay may pin na nakakonekta sa base layer sa bawat sulok. Mayroon ding mga ground, cam, mobile, at mount pins.

Ilang mga parihaba na nakapaloob sa isa’t isa ang dinisenyo upang lumikha ng eksaktong tensyon ng kalamnan kapag kinakailangan. Pagkatapos, pinag-ugnay ng mga inhinyero ang mga muscle band nang partikular upang magbigay ng tumpak na kontraksyon. Isinagawa ng koponang ito ang isang serye ng mga pagsubok at kinolekta ang datos. Kapansin-pansin, ang mga resulta ay nakaka-ibang-tingin na nagpapabuti sa lahat ng pangangailangan ng aparato. Dagdag pa, ang datos ay maaaring makatulong sa paglikha ng unang mga pamantayan sa pagmamanupaktura sa industriya ng soft robot.

Pagsusuri

Inilarawan ng ulat kung paano lumikha ang mga mananaliksik ng bagong pamamaraan ng muscle contractile dynamic tuning upang mapabuti ang pagganap ng kanilang biohybrid actuator. Nagsimula ang pagsusuri sa pagsukat ng distansya sa pagitan ng mga poste. Mula rito, iniunat ang flexure at nagbigay ng tugon limang beses.

Ang pagsusuring hindi nakadepende sa dalas ay nagbigay-daan sa mga mananaliksik na matukoy nang tumpak kung kailan ang pagkapagod ng kalamnan ay nakaapekto sa pagganap. Ang tuning na ito ay nagbigay-daan din sa kanila na makuha ang pinakamataas na tibay mula sa kanilang mga likha at subukan ang kanilang kakayahan sa presyon. Ang mas matinding pagsusuri ay nagpakita ng mga kawili-wiling resulta. Halimbawa, ipinakita nito na ang mas mataas na mga interval ay nagpapabilis ng pagkasunog ng mga muscle fiber.

Kakayahang I-adjust

Binago ng mga inhinyero ang puwersa ng flexure sa pamamagitan ng pag-aayos kung gaano manipis o kalayo ang mga beam na nakakonekta sa mga base. Dinisenyo ang layout upang i-optimize ang natural na galaw ng kalamnan at pagsamahin ito sa katigasan at antas ng paggalaw ng flexure. Kapansin-pansin, ang bagong biohybrid flexor ay ang pinakamakapangyarihan at pinaka-tumpak hanggang ngayon.

Ito ay maaaring mag-flex at mag-unat na may precision na nanometer, na ginagawa itong perpekto para sa micro-robotics. Dagdag pa, ang pinataas na stroke output ay nagbibigay ng mas mataas na pagganap at pagiging maaasahan. Ang mga salik na ito ay nakatulong sa koponan ng pananaliksik na makakuha ng mas maraming interes sa kanilang mga natuklasan.

Mga Skeletal Muscle Tissue

Ang koponan ng MIT ay nagsaliksik ng iba’t ibang uri ng kalamnan bago pumili ng kanilang huling opsyon. Ang muscular tissue ng daga ay napili dahil sa kadalian nitong makuha, abot-kayang presyo, at kakayahang lumago sa laboratoryo. Ang nabuong muscle fiber ay maaasahan at tumulong itulak ang proyekto patungo sa tagumpay ayon sa mga mananaliksik.

Muscle Fibers laban sa Synthetic Actuators

Ang mga muscle fiber ay mahusay sa pag-convert ng mekanikal at elektrikal na enerhiya sa mga kontroladong aksyon. Dahil dito, makatuwiran na ang mga inhinyero ng robotika ay naghahangad na gayahin ang mga benepisyong ito. Kumpara sa tradisyunal na mga actuator, ang mga biohybrid actuator ay nagbibigay ng ultraprecise na galaw. Nag-aalok sila ng kombinasyon ng lakas, kahusayan, at kakayahang umangkop na patuloy na nagiging paksa ng talakayan.

Dagdag pa, ang mga aparatong ito ay gumagamit ng mas kaunting enerhiya upang gumana, nag-aalok ng mas mahusay na pagsubaybay sa kakayahan, at maaaring mas maliit. Ang mga pangunahing salik na nagtatakda ng kalidad ng isang actuator ay ang kakayahan nitong magbigay ng maaasahang resulta, tibay, katumpakan, at kakayahang magbigay ng puwersa. Ang mga muscle fiber actuator ay patuloy na nagpapakita ng pangako bilang perpektong solusyon para sa merkado.

Biohybrid Robots

Ang ideya ng mga robot na gumagamit ng organikong materyal ay maaaring magmukhang galing sa isang sci-fi thriller. Gayunpaman, ang mga biohybrid robot ay umiiral na nang higit sa isang dekada. Pinag-iisa ng mga makinang ito ang mga natural na aspeto, tulad ng muscle fibers, sa mga function ng robot upang lumikha ng kahanga-hangang resulta.

Sa kasalukuyan, may mga robot na gumagamit ng muscle-based actuator upang gayahin ang kumplikadong gawain ng tao tulad ng paglangoy o pagsayaw. Ang mga “soft robots” ay gumagamit ng artipisyal na skeleton para sa estruktura at katatagan. Ang pamamaraan na ito ay nagbibigay-daan sa mga inhinyero na lumikha ng mas artikuladong at tumpak na galaw na maaaring tumugma sa kahinahon ng kamay ng tao.

Mga Uri ng Biohybrid Robots

Maraming iba’t ibang uri ng biohybrid robot ang ginagamit ngayon. Ang mga aparatong ito ay kasing-sari-saring tulad ng mundo sa paligid mo. Gayunpaman, ang tatlong pangunahing kategorya ay microorganisms, tissue, at skeletal.

• Ang mga microorganic robot ay itinayo o gumagamit ng mga bahagi ng selula upang magsagawa ng mga gawain. Sila ay napakaliit, na ginagawang perpekto para sa mga gawain na nangangailangan ng napakatingkad na precision. Dahil dito, maaaring makatulong ang mga maliliit na robot na ito balang araw sa iyong paggaling o magsagawa ng health scans ng hangin na iyong nilalanghap.
• Ang mga tissue-based bot ay gumagamit ng muscle fibers at iba pang tissue na pinalaki sa laboratoryo. Ang mga aparatong ito ay maaaring magbago ng laro sa larangan ng prosthetics. Isipin ang isang robot na tumutulong sa mga bulag na makakita o sa mga amputado na makalakad. Dagdag pa, ang pagsasama ng biological tissue sa robotika ay nagpapababa ng gastos para sa maliliit na paulit-ulit na gawain at nagbibigay-daan sa mga self-healing na makina.
• Ang mga skeletal-based robot ay gumagamit ng bio-based skeletal structure na ginagawang perpekto para gayahin ang ilang natural na galaw. Ang paglalakad, pagtalon, at pagsayaw ay mga halimbawa ng natural na galaw na patuloy na napag-aaralan ng mga skeletal-based robot.

Mga Hamon na Hinarap ng Soft Robots

Isa sa mga pangunahing isyu na kinahaharap ng mga soft robot engineer ay ang ganap na kakulangan ng pinag-isang disenyo at mga tool sa pagmomodelo. Ang kakulangan ng standardisasyon na ito ay nagdulot ng pagkalat ng industriya sa lahat ng direksyon, kung saan maraming pagsisikap ang nasasayang sa paulit-ulit na mga gawain. Dagdag pa, ang hindi inaasahang kalikasan ng mga biological na elemento ay nagdadagdag ng isa pang variable na kailangang harapin ng mga engineer.

Mga Problema sa Pagdodoble

Hindi tulad ng mga machined part na maaaring garantisadong pareho sa bawat pagkakataon, ang mga lab-grown muscle cell ay maaaring magpakita ng iba’t ibang pag-uugali. Halimbawa, alam mo na ang kalamnan ay magkokontrata kapag iniunat, ngunit ang makuha ang parehong resulta sa bawat pagkakataon nang hindi umaabot sa pagkabigo ay susi.

Dahil dito, kumplikado ang paglikha ng mga biological component na nagbibigay ng pare-parehong pagganap. Nakakainteres, ang mga pag-unlad sa 3d tissue printing ay maaaring magbukas ng daan para maresolba ang isyung ito sa hinaharap.

Mga Pamantayan

Ang tagumpay ng proyektong ito ay maaaring makatulong magtakda ng ilang pangkalahatang pamantayan sa sektor ng biohybrid robotics. Sa kasalukuyan, maraming iba’t ibang proyekto ang gumagamit ng magkakaibang setup upang makamit ang parehong layunin. Ang pinakabagong inobasyon ay dinisenyo upang maging isang pangkalahatang bio-mechanical actuator.

Ang pamamaraan na ito ay nagbibigay-daan sa mga robotic engineer na gamitin ang mga aparatong ito kailan man kailangan at bawasan ang oras ng pag-develop. Dagdag pa, ang mga fixture na ito ay maaaring pagsamahin sa iba pang mga opsyon upang suportahan ang anumang uri ng robotic skeletal structure. Ang modelong ito ay nagbibigay-daan sa mga engineer na lumikha ng komplikadong biohybrids na maaaring i-tune upang magsilbi sa tiyak na mga tungkulin.

Mga Inhinyero ng MIT

Ang koponan ng mga inhinyero sa likod ng kapaki-pakinabang na pagsisikap na ito ay kinabibilangan nina Ritu Raman, Alex d’Arbeloff, Naomi Lynch, Tara Sheehan, Nicolas Castro, Laura Rosado, Brandon Rios, at propesor ng mechanical engineering na si Martin Culpepper. Kapansin-pansin, kilala si Culpepper sa kanyang mga proyekto sa miniature robotic mechanisms.

Ang karanasan at talino nila ang nagbigay-daan sa koponan na subukan ang iba’t ibang uri ng actuator bago magpasya sa kanilang huling pagpili. Natuklasan nila na ang accordion-style fixture ay nagpapahintulot sa muscle tissue na magkontrata nang natural habang pinapalakas ang puwersa ng spring.

Mga Bentahe ng Biohybrid Tech

Maraming dahilan kung bakit hinahangad ng mga engineer na pagsamahin ang biology at robotics. Ang pagsasanib na ito ay maaaring magdala ng walang katapusang potensyal sa merkado. Isipin ang mga robot na lumalakas habang gumagana o kaya’y nakakagaling at nag-aangkop kapag kinakailangan.

Pang-amoy na Persepsyon

Ang mga biohybrid robot ay nag-iintegrate ng biology sa antas ng selula, ibig sabihin ang mga aparatong ito ay maaaring gamitin ang organikong materyal. Ang kalikasan ay puno ng kamangha-manghang sensory organs na maaaring madetect ang lahat mula sa direksyon hanggang sa electrical pulses. Nais ng mga engineer na gamitin ang mga natural na sensor na ito upang palawakin ang kakayahan ng robot.

Ugnayan sa Utak

Isa pang larangan ng pokus para sa mga biohybrid engineer ay ang pagpapabuti kung paano nakikipag-ugnayan ang mga tao sa mga makina. Halimbawa, si Elon Musk ay gumastos ng malaking pondo sa neural link interface, na kumokonekta sa neural network ng utak at nag-iinterpret ng mga utos direkta mula sa mga iniisip.

Susunod na Henerasyon ng Prosthetics

Maraming tao ang nakikita ang healthcare bilang sektor na may pinakamalaking pakinabang mula sa integrasyon ng soft robot. Isipin ang isang prosthetic na gawa sa totoong muscle tissue, na maaaring gamitin ng tao upang mapabuti, at magpaparami ng mga sensasyon na kanilang iniuugnay sa isang bahagi ng katawan.

Pagpapanatili

Isa sa pinakamalaking bentahe ng biohybrid technology ay ang kakayahang lumikha ng mga robot na perpektong nagkakaisa sa kanilang kapaligiran. Ang mga aparatong ito ay maaaring balang araw mag-monitor ng kapaligiran at kahit tumulong sa pag-aayos nito. Halimbawa, isipin ang mga sensor na maaaring subaybayan at bawasan ang antas ng polusyon.

Mga Hinaharap na Gamit para sa Muscle-Based Actuators

Maraming hinaharap na gamit para sa ganitong estilo ng muscle-based actuator. Ang mga magagaan na solusyon na ito ay maaaring magamit upang paganahin ang bagong henerasyon ng micro-robotics. Napatunayan ng teorya na nagpapabuti ito ng kahusayan. Dahil dito, mula sa avionics hanggang sa healthcare ay maraming atensyon ang ibinibigay sa mga aksyon ng koponan.

Ang mga Robot ay Nagiging Mas Magaan, Mas Maliit, at Mas Tumpak

Ang pagbabawas ng konsumo ng enerhiya at bigat ay may katuturan. Nakakakuha ka ng mas mahabang buhay at mas maraming kapangyarihan mula sa iyong mga aparato. Bilang resulta, mas maraming engineer ang naghahanap ng mga power-efficient na opsyon na madaling maiangkop sa iba’t ibang senaryo. Ang biohybrid actuator ay pinagsasama ang biology at robotics nang walang putol upang mapabuti ang buhay, kahusayan, at kakayahan. Dahil sa mga kadahilanang ito, ang proyekto ay karapat-dapat subaybayan sa hinaharap.

Mas marami kang matutunan tungkol sa mga kapanapanabik na pag-unlad sa robotics dito.