W świecie robotyki, gdzie granice możliwości nieustannie się przesuwają, naukowcy i inżynierowie bez przerwy poszukują sposobów, aby uczynić maszyny jak najbardziej podobnymi do żywych organizmów. Jeden z najnowszych i najbardziej ekscytujących kroków w tym kierunku pochodzi z Northwestern University, gdzie opracowano innowacyjne, miękkie sztuczne mięśnie. Ta rewolucyjna technologia otwiera drzwi dla nowej generacji robotów – tych, które będą zdolne do płynniejszego ruchu, lepszej interakcji z otoczeniem i, co najważniejsze, do samodzielnego funkcjonowania bez potrzeby stałego zewnętrznego zasilania.

Te nowe siłowniki, jak się je fachowo nazywa, stanowią kluczowy krok w kierunku budowy robotycznych systemów mięśniowo-szkieletowych, które naśladują złożoność i wydajność ludzkiego ciała. Ich osiągi i właściwości mechaniczne obiecują transformację sposobu, w jaki roboty chodzą, biegają, wchodzą w interakcje z ludźmi i nawigują w dynamicznym świecie wokół nich. Wyobraźcie sobie roboty poruszające się z gracją i siłą sportowca, zdolne do absorbowania wstrząsów, ale także do generowania wystarczającej siły do wykonywania wymagających zadań.

Inspiracja z natury: Droga do bardziej elastycznych robotów

Przez długi czas roboty były synonimem sztywnych, mechanicznych struktur, zaprojektowanych do precyzyjnych, ale często ograniczonych ruchów w kontrolowanych środowiskach. Chociaż takie roboty są niezwykle wydajne w zakładach przemysłowych, ich sztywność stanowi znaczącą wadę w nieprzewidywalnym i złożonym realnym świecie. Ludzkie ciało, z jego kośćmi, mięśniami i ścięgnami, oferuje doskonały przykład systemu, który jest jednocześnie silny, elastyczny i zdolny do adaptacji. To właśnie ta bioinspiracja przyświecała zespołowi inżynierów z Northwestern University.

Dr Ryan Truby, starszy autor badania i profesor nauk o materiałach i inżynierii mechanicznej w McCormick School of Engineering, podkreśla znaczenie tego podejścia. Jego celem jest tworzenie robotycznych ciał, które są elastyczne, zdolne do adaptacji i potrafią radzić sobie z niepewnością fizycznego świata. Obejmuje to nie tylko praktyczne sztuczne mięśnie, ale także komponenty naśladujące kości, ścięgna i więzadła. Dzięki takiemu podejściu roboty nie tylko stają się bardziej odporne i elastyczne, ale mogą również wykorzystywać mechanikę miękkich materiałów, aby stać się bardziej energooszczędne.

Taekyoung Kim, badacz podoktorski w laboratorium Truby'ego i pierwszy autor badania, podkreśla, że niezwykle trudno jest stworzyć roboty bez fizycznej podatności, które płynnie reagowałyby na zewnętrzne zmiany i bezpiecznie wchodziły w interakcje z ludźmi. Dla przyszłych robotów, które będą poruszać się naturalniej i bezpieczniej w nieustrukturyzowanych środowiskach, kluczowe jest projektowanie ich na wzór ludzkiego ciała – z twardymi szkieletami i miękkimi, podobnymi do mięśni siłownikami.

Pokonywanie wyzwań w replikacji mięśni

Dotychczasowe próby opracowania miękkich siłowników o właściwościach mechanicznych podobnych do mięśni często napotykały na znaczne przeszkody. Wiele z nich wymagało nieporęcznego i ciężkiego sprzętu zasilającego, a nawet wtedy nie były wystarczająco wytrzymałe ani nie mogły generować wystarczającej siły do wykonywania realnych zadań. Dr Truby wyjaśnia, że niezwykle trudno jest zaprojektować miękkie materiały tak, aby funkcjonowały jak mięśnie. Nawet jeśli uda się zmusić materiał do poruszania się jak sztuczny mięsień, istnieje wiele innych wyzwań, takich jak przenoszenie wystarczającej siły z odpowiednią mocą. Łączenie takich mięśni ze sztywnymi, kostnymi elementami stanowi dodatkowe problemy.

Zespół pokonał te wyzwania, opierając się na siłowniku opracowanym wcześniej w laboratorium Truby'ego. Sercem tego siłownika jest cylindryczna struktura wydrukowana w 3D, nazwana „handed shearing auxetic” (HSA). HSA posiada złożoną strukturę, która umożliwia unikalne ruchy i właściwości, takie jak wydłużanie się i rozszerzanie podczas skręcania. Ruch skrętny potrzebny do poruszenia HSA może być generowany przez mały, zintegrowany silnik elektryczny. Kim opracował metodę drukowania 3D struktur HSA z powszechnej, taniej gumy, podobnej do tej, która jest często używana do produkcji etui na telefony komórkowe.

Innowacyjny projekt sztucznego mięśnia

W nowym projekcie zespół pokrył strukturę HSA gumową strukturą miechową w stylu origami. Ta innowacyjna kombinacja pozwala obracającemu się silnikowi napędzać rozciąganie i kurczenie się zmontowanych siłowników. W rezultacie powstały sztuczne mięśnie, które mogą pchać i ciągnąć z imponującą siłą. Szczególnie fascynująca jest zdolność mięśnia do dynamicznego usztywniania się po aktywacji – dokładnie tak, jak ludzki mięsień. Ta cecha jest kluczowa dla stabilności i kontroli ruchu.

Każdy z tych sztucznych mięśni waży mniej więcej tyle, co piłka nożna i jest nieco większy od puszki z napojem gazowanym. Może rozciągnąć się do 30% swojej długości, skurczyć się i podnieść obiekty 17 razy cięższe od siebie. Być może najważniejsze dla ich zastosowania w ciałach robotów jest fakt, że mięśnie mogą być zasilane bateriami, eliminując potrzebę stosowania ciężkiego, zewnętrznego sprzętu. Ta autonomia otwiera drogę dla prawdziwie samodzielnych robotów, które nie są przywiązane do źródeł zasilania.

Humanoidalna noga, która „kopie” i „czuje”

Aby zademonstrować prawdziwy potencjał tych mięśni, Truby, Kim i ich zespół użyli druku 3D do stworzenia robotycznej nogi ludzkiej wielkości. „Kości” nogi zostały skonstruowane ze sztywnego plastiku, podczas gdy złącza inspirowane ścięgnami wykonano z gumy. Elastyczne ścięgna łączą mięśnie czworogłowe i dwugłowe uda z kością piszczelową, a mięsieň łydki ze strukturą stopy. Te ścięgna i mięśnie pomagają tłumić ruchy i absorbować wstrząsy, podobnie jak w biologicznym systemie mięśniowo-szkieletowym. Ta integracja miękkich i sztywnych komponentów pozwala на płynniejszy i bardziej naturalny ruch, zmniejszając ryzyko uszkodzenia robota lub otoczenia.

Dodatkowo zespół zintegrował elastyczny, wydrukowany w 3D czujnik, który pozwala nodze „czuć” własny mięsień. Zaprojektowany jak kanapka, przewodząca warstwa elastycznego plastiku jest ściśnięta między dwiema nieprzewodzącymi warstwami. Kiedy sztuczny mięsieň się porusza, czujnik również się porusza. W miarę rozciągania zmienia się jego opór elektryczny, co pozwala robotowi wyczuć, jak bardzo jego mięsieň się wydłuża lub kurczy. Ta zdolność propriocepcji – poczucia własnej pozycji i ruchu – jest kluczowa dla precyzyjnej kontroli i adaptacji w złożonych zadaniach. Umożliwia robotowi dokładniejsze wykonywanie ruchów, utrzymywanie równowagi i reagowanie na nieoczekiwane przeszkody.

Wynikowa noga jest kompaktowa i zasilana bateriami. Jedno naładowanie przenośnej baterii zapewniło wystarczająco dużo energii, aby noga zgięła się w kolanie tysiące razy w ciągu jednej godziny. Osiągnięcie podobnych możliwości przy użyciu innych technologii miękkich siłowników byłoby niezwykle trudne, jeśli nie niemożliwe. Ta efektywność energetyczna i autonomia sprawiają, że te sztuczne mięśnie są niezwykle obiecujące dla szerokiego spektrum zastosowań.

Szerszy kontekst i przyszłe zastosowania

Rozwój tych „kostnych mięśni” stanowi znaczący krok naprzód w dziedzinie miękkiej robotyki, gałęzi robotyki, która koncentruje się na tworzeniu robotów z materiałów, które są z natury elastyczne i zdolne do adaptacji. W przeciwieństwie do tradycyjnych robotów, miękkie roboty mogą bezpiecznie pracować obok ludzi, manipulować delikatnymi przedmiotami i poruszać się w złożonych, nieustrukturyzowanych środowiskach. Potencjalne zastosowania są ogromne i zróżnicowane.

W medycynie te mięśnie mogłyby zrewolucjonizować protetykę, tworząc kończyny, które są не tylko funkcjonalne, ale także wrażliwe i bardziej naturalne dla użytkownika. Mogłyby być wykorzystywane w rozwoju egzoszkieletów do pomocy osobom z niepełnosprawnościami lub do rehabilitacji. W przemyśle roboty wyposażone w te mięśnie mogłyby przejąć zadania wymagające delikatnego obchodzenia się, takie jak pakowanie delikatnych produktów lub praca w ciasnych przestrzeniach. Ich zdolność do absorbowania wstrząsów czyni je idealnymi do pracy w dynamicznych i nieprzewidywalnych środowiskach, zmniejszając ryzyko uszkodzenia sprzętu lub obrażeń.

Ponadto, te mięśnie otwierają nowe możliwości dla poszukiwań i ratownictwa. Roboty z takimi mięśniami mogłyby poruszać się przez gruzy, wąskie przejścia lub niebezpieczne tereny z większą zwinnością i odpornością. W dziedzinie badań kosmicznych elastyczne roboty mogłyby być idealne do manipulowania próbkami na innych planetach lub do napraw w kosmosie, gdzie precyzja i zdolność adaptacji są kluczowe. Dr Truby z entuzjazmem patrzy na to, jak te sztuczne mięśnie mogą inspirować nowe kierunki dla robotów humanoidalnych i zwierzęcych, otwierając drogę dla maszyn, które są nie tylko inteligentne, ale także fizycznie zdolne do interakcji ze światem w sposób, który dotychczas był zarezerwowany tylko dla żywych istot.

Badanie zostało opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Advanced Materials, co potwierdza jego znaczenie naukowe i innowacyjność. Oprócz Ryana Truby'ego i Taekyounga Kima, w badaniu uczestniczyli również Eliot Dunn, licealny stażysta badawczy w Robotic Matter Lab, oraz Melinda Chen, uczestniczka programu Research Experience for Undergraduates w Northwestern University Materials Research Science and Engineering Center. Praca była wspierana przez Office of Naval Research oraz przez Leslie i Maca McQuownów za pośrednictwem Center for Engineering Sustainability and Resilience na Northwestern University. Ta współpraca badaczy na różnych poziomach oraz wsparcie kluczowych instytucji podkreślają multidyscyplinarne podejście i znaczenie tego odkrycia dla przyszłości robotyki.

Źródło: Northwestern University