Nasze mięśnie to doskonałe siłowniki natury – urządzenia, które zamieniają energię w ruch. Ze względu na swój rozmiar włókna mięśniowe są mocniejsze i bardziej precyzyjne niż większość syntetycznych siłowników. Mogą nawet leczyć uszkodzenia i rosnąć w siłę dzięki ćwiczeniom.
Z tych powodów inżynierowie badają sposoby zasilania robotów naturalnymi mięśniami. Zademonstrowali kilka robotów „biohybrydowych”, które wykorzystują siłowniki oparte na mięśniach do zasilania sztucznych szkieletów, które chodzą, pływają, pompują i chwytają. Jednak każdy bot ma zupełnie inną budowę i nie ma ogólnego planu maksymalnego wykorzystania mięśni w przypadku dowolnego projektu robota.
Teraz inżynierowie z MIT opracowali urządzenie przypominające sprężynę, które można wykorzystać jako podstawowy moduł przypominający szkielet dla niemal każdego bota umięśnionego. Nowa sprężyna lub „zgięcie” została zaprojektowana tak, aby maksymalnie wykorzystać przyczepione tkanki mięśniowe. Podobnie jak prasa do nóg z odpowiednim obciążeniem, urządzenie maksymalizuje zakres ruchu, jaki mięsień może w naturalny sposób wytworzyć.
Naukowcy odkryli, że kiedy dopasowują do urządzenia pierścień tkanki mięśniowej, podobnie jak gumkę rozciągniętą wokół dwóch słupków, mięsień niezawodnie i wielokrotnie naciąga sprężynę i rozciąga ją pięciokrotnie bardziej w porównaniu z innymi poprzednimi konstrukcjami urządzeń .
Zespół postrzega projekt elastycznych elementów jako nowy element składowy, który można łączyć z innymi elementami elastycznymi, aby zbudować dowolną konfigurację sztucznych szkieletów. Inżynierowie mogą następnie wyposażyć szkielety w tkanki mięśniowe, aby wzmocnić ich ruchy.
„Te zgięcia są jak szkielet, którego ludzie mogą teraz używać do przekształcania aktywacji mięśni w wiele stopni swobody ruchu w bardzo przewidywalny sposób” – mówi Ritu Raman, Brytyjczyk i Alex d'Arbeloffowie, profesor ds. rozwoju kariery w dziedzinie projektowania inżynieryjnego w MIT. „Dajemy robotykom nowy zestaw zasad umożliwiających tworzenie potężnych i precyzyjnych robotów napędzanych mięśniami, które robią interesujące rzeczy”.
Raman i jej współpracownicy przedstawiają szczegóły nowej konstrukcji elastycznej w artykule opublikowanym w czasopiśmie Advanced Intelligent Systems. Współautorami badania z MIT są Naomi Lynch '12, SM '23; studentka Tara Sheehan; absolwenci Nicolas Castro, Laura Rosado i Brandon Rios; i profesor inżynierii mechanicznej Martin Culpepper.
Naciągnięcie mięśni
Tkanka mięśniowa pozostawiona sama na szalce Petriego w sprzyjających warunkach sama się kurczy, ale w kierunkach, które nie są całkowicie przewidywalne i przydatne.
„Jeśli mięsień nie jest do niczego przyczepiony, będzie się dużo poruszał, ale z ogromną zmiennością i po prostu będzie się miotał w cieczy” – mówi Raman.
Aby mięsień zaczął działać jak mechaniczny siłownik, inżynierowie zazwyczaj przyczepiają pasmo tkanki mięśniowej pomiędzy dwoma małymi, elastycznymi słupkami. Gdy zespół mięśniowy w naturalny sposób się kurczy, może zgiąć słupki i ściągnąć je razem, powodując ruch, który idealnie napędzałby część szkieletu robota. Jednak w tych konstrukcjach mięśnie mają ograniczony ruch, głównie dlatego, że tkanki stykają się ze słupkami w sposób bardzo zmienny. W zależności od tego, gdzie mięśnie są umieszczone na słupkach i jak duża część powierzchni mięśni dotyka słupka, mięśniom może się udać ściągnięcie słupków do siebie, ale innym razem mogą się chwiać w niekontrolowany sposób.
Grupa Ramana chciała zaprojektować szkielet, który skupiałby i maksymalizował skurcze mięśnia niezależnie od tego, gdzie i jak jest on umieszczony na szkielecie, aby generować jak najwięcej ruchu w przewidywalny i niezawodny sposób.
„Pytanie brzmi: jak zaprojektować szkielet, aby najskuteczniej wykorzystać siłę wytwarzaną przez mięsień?” – mówi Ramana.
Naukowcy najpierw rozważyli wiele kierunków, w których mięsień może naturalnie się poruszać. Doszli do wniosku, że jeśli mięsień ma wyciągnąć dwa słupki razem w określonym kierunku, słupki powinny być połączone ze sprężyną, która pozwoli im poruszać się w tym kierunku tylko po pociągnięciu.
„Potrzebujemy urządzenia, które jest bardzo miękkie i elastyczne w jednym kierunku oraz bardzo sztywne we wszystkich pozostałych, tak aby podczas skurczu mięśnia cała siła została skutecznie zamieniona na ruch w jednym kierunku” – mówi Raman.
Miękki flex
Jak się okazuje, Raman znalazł wiele takich urządzeń w laboratorium profesora Martina Culpeppera. Grupa Culpeppera w MIT specjalizuje się w projektowaniu i wytwarzaniu elementów maszyn, takich jak miniaturowe siłowniki, łożyska i inne mechanizmy, które można wbudować w maszyny i systemy, aby umożliwić ultraprecyzyjny ruch, pomiary i sterowanie w szerokiej gamie zastosowań. Wśród precyzyjnie obrobionych elementów tej grupy znajdują się elementy elastyczne – urządzenia przypominające sprężyny, często wykonane z równoległych belek, które mogą zginać się i rozciągać z nanometrową precyzją.
„W zależności od tego, jak cienkie i jak daleko od siebie są belki, można zmienić sztywność sprężyny” – mówi Raman.
Ona i Culpepper połączyli siły, aby zaprojektować specjalnie dostosowany element giętki o konfiguracji i sztywności umożliwiającej tkance mięśniowej naturalny skurcz i maksymalne rozciągnięcie sprężyny. Zespół zaprojektował konfigurację i wymiary urządzenia w oparciu o liczne obliczenia, które przeprowadził, aby powiązać naturalne siły mięśnia ze sztywnością zgięcia i stopniem ruchu.
Ostatecznie zaprojektowane przez nich zgięcie wynosi 1/100 sztywności samej tkanki mięśniowej. Urządzenie przypomina miniaturową konstrukcję przypominającą harmonijkę, której narożniki są przymocowane do podstawy za pomocą małego słupka, który znajduje się w pobliżu sąsiedniego słupka, który jest przymocowany bezpośrednio do podstawy. Następnie Raman owinął pasmo mięśni wokół dwóch narożnych słupków (zespół uformował pasma z żywych włókien mięśniowych, które wyhodowały z komórek myszy) i zmierzył, jak blisko słupki były przyciągane do siebie w miarę kurczenia się pasma mięśniowego.
Zespół odkrył, że konfiguracja zgięcia umożliwiała kurczenie się pasma mięśniowego głównie w kierunku pomiędzy dwoma słupkami. Ten skupiony skurcz pozwolił mięśniowi przyciągnąć słupki znacznie bliżej siebie – pięć razy bliżej – w porównaniu z poprzednimi konstrukcjami siłowników mięśniowych.
„Zagięcie to szkielet, który zaprojektowaliśmy tak, aby był bardzo miękki i elastyczny w jednym kierunku oraz bardzo sztywny we wszystkich pozostałych” – mówi Raman. „Kiedy mięsień się kurczy, cała siła zostaje zamieniona na ruch w tym kierunku. To ogromne powiększenie”.
Zespół odkrył, że może używać tego urządzenia do precyzyjnego pomiaru wydajności i wytrzymałości mięśni. Kiedy zmieniali częstotliwość skurczów mięśni (na przykład stymulując pasma do skurczu raz zamiast czterech razy na sekundę), zaobserwowali, że mięśnie „męczyły się” przy wyższych częstotliwościach i nie generowały tak dużego napięcia.
„Patrząc na to, jak szybko męczą się nasze mięśnie i jak możemy je ćwiczyć, aby uzyskać wysoką wytrzymałość, oto, co możemy odkryć dzięki tej platformie” – mówi Raman.
Naukowcy dostosowują i łączą obecnie elementy elastyczne, aby zbudować precyzyjne, przegubowe i niezawodne roboty, napędzane naturalnymi mięśniami.
„Przykładem robota, który staramy się zbudować w przyszłości, jest robot chirurgiczny, który może wykonywać małoinwazyjne zabiegi wewnątrz ciała” – mówi Raman. „Z technicznego punktu widzenia mięśnie mogą napędzać roboty dowolnej wielkości, ale szczególnie ekscytuje nas tworzenie małych robotów, ponieważ to właśnie tam siłowniki biologiczne wyróżniają się pod względem siły, wydajności i możliwości adaptacji”.