Inženjeri s MIT-a razvijaju fleksibilna "kostura" za mekane robote pokretane mišićima Nova modularna uređaja poput opruga maksimiziraju rad živih mišićnih vlakana tako da ih mogu iskoristiti za pokretanje biohibridnih robota.

Mišići su prirodni aktuatori bez premca – uređaji koji pretvaraju energiju u pokret. U usporedbi sa svojom veličinom, mišićna vlakna su moćnija i preciznija od većine sintetičkih aktuatora. Mogu se čak i oporaviti od oštećenja te postati jači vježbanjem.

Iz ovih razloga, inženjeri istražuju načine korištenja prirodnih mišića za pokretanje robota. Demonstrirali su nekoliko "biohibridnih" robota koji koriste aktuatore bazirane na mišićima za pokretanje umjetnih kostura koji hodaju, plivaju, pumpaju i hvataju. Međutim, za svakog robota postoji vrlo različita konstrukcija, a ne postoji opći nacrt za maksimiziranje iskorištavanja mišića za bilo koji dizajn robota.

Sada su inženjeri s MIT-a razvili uređaj poput opruge koji bi se mogao koristiti kao osnovni skeletni modul za gotovo svakog robota vezanog uz mišiće. Nova opruga, ili "fleksura", dizajnirana je kako bi se izvuklo najviše rada iz bilo kojeg pripojenog mišićnog tkiva. Poput sprave za vježbanje nogu s točno odmjereno opterećenjem, uređaj maksimizira količinu pokreta koju mišić može prirodno proizvesti.

Istraživači su otkrili da kada su na uređaj postavili prsten mišićnog tkiva, slično kao gumeni trak rastegnut između dva stupa, mišić je povlačio oprugu, pouzdano i ponavljano, i rastegnuo ju je pet puta više u usporedbi s drugim prethodnim dizajnima uređaja.

Tim vidi dizajn fleksure kao novi građevinski blok koji se može kombinirati s drugim fleksurama za izgradnju bilo koje konfiguracije umjetnih kostura. Inženjeri mogu zatim opremiti kosture mišićnim tkivima kako bi pokretali njihove pokrete.

"Ove fleksure su poput kostura koje ljudi sada mogu koristiti kako bi pretvorili mišićnu aktivaciju u više stupnjeva slobode pokreta na vrlo predvidljiv način," kaže Ritu Raman, Brit i Alex d'Arbeloff karijerni razvojni profesor inženjerskog dizajna na MIT-u. "Dajemo robotičarima novi skup pravila za izradu moćnih i preciznih robota pokretanih mišićima koji rade zanimljive stvari."

Raman i njezini kolege objavljuju detalje novog dizajna fleksure u radu koji se pojavljuje danas u časopisu Advanced Intelligent Systems. Među suautorima studije s MIT-a su Naomi Lynch '12, SM '23; studentica preddiplomskog studija Tara Sheehan; diplomski studenti Nicolas Castro, Laura Rosado i Brandon Rios; te profesor strojarskog inženjerstva Martin Culpepper.

Povlačenje mišića
Kada se ostavi sam u petrijevoj zdjelici pod povoljnim uvjetima, mišićno tkivo će se samo skupljati, ali u smjerovima koji nisu potpuno predvidljivi niti posebno korisni.

"Ako mišić nije pričvršćen za nešto, puno će se kretati, ali s velikom varijabilnošću, gdje se jednostavno maše u tekućini," kaže Raman.

Da bi mišić radio kao mehanički aktuator, inženjeri obično pričvršćuju traku mišićnog tkiva između dva mala, fleksibilna stupa. Kako se traka mišića prirodno skuplja, može saviti stupove i povući ih zajedno, proizvodeći neko kretanje koje bi idealno pokretalo dio robotskog kostura. Međutim, u tim dizajnima mišići su proizveli ograničeno kretanje, uglavnom zato što su tkiva toliko varijabilna u načinu kako dolaze u kontakt sa stupovima. Ovisno o tome gdje su mišići postavljeni na stupovima i koliko je površine mišića u dodiru sa stupom, mišići mogu uspjeti povući stupove zajedno, ali u drugim trenucima mogu se klimati na nekontrolirane načine.

Grupa Raman tražila je način dizajniranja kostura koji fokusira i maksimizira kontrakcije mišića bez obzira na točno mjesto i način na koji je postavljen na kostur, kako bi generirao najviše kretanja na predvidljiv i pouzdan način.

"Pitanje je: Kako dizajnirati kostur koji najučinkovitije koristi snagu koju mišić proizvodi?" kaže Raman.

Istraživači su prvo razmotrili višestruke smjerove u kojima mišić može prirodno kretati. Zaključili su da ako mišić treba povući dva stupa zajedno duž određenog smjera, stupovi bi trebali biti spojeni s oprugom koja im omogućuje kretanje samo u tom smjeru kada se povuku.

"Potreban nam je uređaj koji je vrlo mekan i fleksibilan u jednom smjeru, i vrlo čvrst u svim ostalim smjerovima, tako da kada mišić skuplja, sva ta snaga se učinkovito pretvara u kretanje u jednom smjeru," kaže Raman.

Mekana fleksura

Kako se ispostavilo, Raman je pronašla mnoge takve uređaje u laboratoriju profesora Martina Culpeppera. Grupa Culpeppera na MIT-u specijalizirana je za dizajn i izradu elemenata strojeva kao što su minijaturni aktuatori, ležajevi i drugi mehanizmi, koji se mogu ugraditi u strojeve i sustave kako bi omogućili ultraprecizno kretanje, mjerenje i kontrolu za širok spektar primjena. Među precizno izrađenim elementima grupe su fleksure – uređaji slični oprugama, često izrađeni od paralelnih snopova, koji se mogu savijati i protezati s nanometarskom preciznošću.

"Ovisno o tome koliko su snopovi tanki i udaljeni, možete promijeniti koliko se opruga čini čvrstom," kaže Raman.

Ona i Culpepper udružili su snage kako bi dizajnirali fleksuru posebno prilagođenu s konfiguracijom i čvrstoćom koja omogućuje mišićnom tkivu da se prirodno skuplja i maksimalno rasteže oprugu. Tim je dizajnirao konfiguraciju i dimenzije uređaja na temelju brojnih izračuna koje su proveli kako bi povezali prirodne snage mišića s čvrstoćom i stupnjem kretanja fleksure.

Fleksura koju su konačno dizajnirali ima čvrstoću 1/100 od same čvrstoće mišićnog tkiva. Uređaj nalikuje na minijaturnu strukturu sličnu harmonici, čiji su uglovi pričvršćeni za osnovnu bazu malim stupom, koji se nalazi blizu susjednog stupa koji je izravno pričvršćen za bazu. Raman je zatim omotala traku mišića oko dva uglovna stupa (tim je oblikovao trake od živih mišićnih vlakana koje su uzgojili iz stanica miša) i mjerila koliko su se stupovi približili jedan drugome dok se traka mišića skupljala.

Tim je otkrio da konfiguracija fleksure omogućuje mišićnoj traci da se skuplja uglavnom u smjeru između dva stupa. Ovo fokusirano skupljanje omogućilo je mišiću da povuče stupove mnogo bliže - pet puta bliže - u usporedbi s prethodnim dizajnima aktuatora mišića.

"Fleksura je kostur koji smo dizajnirali da bude vrlo mekan i fleksibilan u jednom smjeru, i vrlo čvrst u svim ostalim smjerovima," kaže Raman. "Kada se mišić skupi, sva se snaga pretvara u kretanje u tom smjeru. To je ogromno povećanje."

Tim je otkrio da može koristiti uređaj za precizno mjerenje performansi i izdržljivosti mišića. Kada su varirali frekvenciju mišićnih kontrakcija (na primjer, stimulirajući trake da se skupljaju jednom naspram četiri puta u sekundi), primijetili su da mišići "postaju umorni" na višim frekvencijama i ne generiraju toliko povlačenja.

"Proučavajući koliko brzo naši mišići postaju umorni i kako ih možemo vježbati da imaju odgovore visoke izdržljivosti - to je ono što možemo otkriti s ovom platformom," kaže Raman.

Istraživači sada prilagođavaju i kombiniraju fleksure kako bi izgradili precizne, artikulirane i pouzdane robote, pokretane prirodnim mišićima.

"Primjer robota koji pokušavamo izgraditi u budućnosti je kirurški robot koji može izvoditi minimalno invazivne zahvate unutar tijela," kaže Raman. "Tehnički, mišići mogu pokretati robote bilo koje veličine, ali posebno smo uzbuđeni oko izrade malih robota, jer tu biološki aktuatori izvrsno pokazuju snagu, učinkovitost i prilagodljivost."

Izvor: Massachusetts Institute of Technology