U svijetu robotike, gdje se granice mogućeg neprestano pomiču, znanstvenici i inženjeri neprestano traže načine kako bi strojeve učinili što sličnijima živim organizmima. Jedan od najnovijih i najuzbudljivijih iskoraka u tom smjeru dolazi s Northwestern Universityja, gdje su razvijeni inovativni, mekani umjetni mišići. Ova revolucionarna tehnologija otvara vrata novoj generaciji robota – onima koji će biti sposobni za fluidnije kretanje, bolju interakciju s okolinom i, što je najvažnije, za samostalno funkcioniranje bez potrebe za stalnim vanjskim napajanjem.

Ovi novi aktuatori, kako se stručno nazivaju, predstavljaju ključni korak prema izgradnji robotskih muskuloskeletnih sustava koji oponašaju složenost i učinkovitost ljudskog tijela. Njihove performanse i mehanička svojstva obećavaju transformaciju načina na koji roboti hodaju, trče, komuniciraju s ljudima i navigiraju kroz dinamičan svijet oko sebe. Zamislite robote koji se kreću s gracioznošću i snagom sportaša, sposobni apsorbirati udarce, ali i generirati dovoljnu silu za obavljanje zahtjevnih zadataka.

Inspiracija iz prirode: Put prema fleksibilnijim robotima

Dugo su vremena roboti bili sinonim za krute, mehaničke strukture, dizajnirane za precizne, ali često ograničene pokrete u kontroliranim okruženjima. Iako su takvi roboti iznimno učinkoviti u industrijskim postrojenjima, njihova krutost predstavlja značajan nedostatak u nepredvidivom i složenom stvarnom svijetu. Ljudsko tijelo, sa svojim kostima, mišićima i tetivama, nudi savršen primjer sustava koji je istovremeno snažan, fleksibilan i prilagodljiv. Upravo je ta bioinspiracija vodila tim inženjera s Northwestern Universityja.

Dr. Ryan Truby, viši autor studije i profesor znanosti o materijalima i strojarstva na McCormick School of Engineering, ističe važnost ovog pristupa. Njegov cilj je stvoriti robotska tijela koja su fleksibilna, prilagodljiva i sposobna nositi se s neizvjesnošću fizičkog svijeta. To uključuje ne samo praktične umjetne mišiće, već i komponente koje oponašaju kosti, tetive i ligamente. Kroz takav pristup, roboti ne samo da postaju otporniji i prilagodljiviji, već mogu iskoristiti mehaniku mekših materijala kako bi postali energetski učinkovitiji.

Taekyoung Kim, postdoktorski istraživač u Trubyjevom laboratoriju i prvi autor studije, naglašava da je iznimno teško stvoriti robote bez fizičke usklađenosti koji bi glatko reagirali na vanjske promjene i sigurno komunicirali s ljudima. Za buduće robote koji će se prirodnije i sigurnije kretati u nestrukturiranim okruženjima, ključno je dizajnirati ih po uzoru na ljudsko tijelo – s tvrdim kosturima i mekanim, mišićima sličnim aktuatorima.

Prevladavanje izazova u replikaciji mišića

Dosadašnji pokušaji razvoja mekanih aktuatora s mehaničkim svojstvima sličnim mišićima često su nailazili na značajne prepreke. Mnogi su zahtijevali glomaznu i tešku opremu za napajanje, a čak i tada, nisu bili dovoljno izdržljivi niti su mogli generirati dovoljnu silu za obavljanje stvarnih zadataka. Dr. Truby objašnjava da je iznimno teško inženjerski oblikovati meke materijale da funkcioniraju poput mišića. Čak i ako se materijal može natjerati da se kreće poput umjetnog mišića, postoje brojni drugi izazovi, poput prijenosa dovoljne sile s odgovarajućom snagom. Povezivanje takvih mišića s krutim, koštanim elementima predstavlja dodatne probleme.

Tim je ove izazove prevladao oslanjajući se na aktuator prethodno razvijen u Trubyjevom laboratoriju. Srce tog aktuatora je cilindrična struktura ispisana 3D printerom, nazvana "handed shearing auxetic" (HSA). HSA posjeduje složenu strukturu koja omogućuje jedinstvene pokrete i svojstva, poput produljenja i širenja kada se uvije. Pokret uvijanja potreban za pomicanje HSA može generirati mali, integrirani električni motor. Kim je razvio metodu 3D ispisa HSA struktura od uobičajene, jeftine gume, slične onoj koja se često koristi za izradu futrola za mobilne telefone.

Inovativni dizajn umjetnog mišića

U novom dizajnu, tim je HSA strukturu obložio gumenom origamijskom mijeh strukturom. Ova inovativna kombinacija omogućuje rotirajućem motoru da pokreće produljenje i kontrakciju sastavljenih aktuatora. Rezultat su umjetni mišići koji mogu gurati i vući s impresivnom snagom. Ono što je posebno fascinantno jest sposobnost mišića da se dinamički ukruti kada se aktivira – baš kao i ljudski mišić. Ova karakteristika je ključna za stabilnost i kontrolu pokreta.

Svaki od ovih umjetnih mišića teži otprilike kao nogometna lopta i nešto je veći od limenke gaziranog pića. Može se rastegnuti do 30% svoje duljine, skupiti se i podići objekte 17 puta teže od sebe. Možda najvažnije za njihovu primjenu u robotskim tijelima jest činjenica da se mišići mogu napajati baterijama, eliminirajući potrebu za teškom, vanjskom opremom. Ova autonomija otvara put za uistinu samostalne robote koji nisu vezani za izvore napajanja.

Humanoidna noga koja "udara" i "osjeća"

Kako bi demonstrirali stvarni potencijal ovih mišića, Truby, Kim i njihov tim koristili su 3D ispis za izradu robotske noge ljudske veličine. "Kosti" noge konstruirane su od krute plastike, dok su konektori inspirirani tetivama izrađeni od gume. Elastične tetive povezuju mišiće kvadricepsa i stražnje lože s potkoljeničnom kosti, a mišić lista s strukturom stopala. Ove tetive i mišići pomažu u prigušivanju pokreta i apsorpciji udaraca, slično biološkom muskuloskeletnom sustavu. Ova integracija mekih i krutih komponenti omogućuje fluidnije i prirodnije kretanje, smanjujući rizik od oštećenja robota ili okoline.

Dodatno, tim je integrirao fleksibilni, 3D ispisani senzor koji omogućuje nozi da "osjeća" vlastiti mišić. Dizajniran poput sendviča, provodljivi sloj fleksibilne plastike stisnut je između dva neprovodljiva sloja. Kada se umjetni mišić pomiče, senzor se također pomiče. Kako se rasteže, mijenja se njegov električni otpor, omogućujući robotu da osjeti koliko se njegov mišić produljuje ili skuplja. Ova sposobnost propriocepcije – osjećaja vlastitog položaja i pokreta – ključna je za finu kontrolu i prilagodbu u složenim zadacima. Omogućuje robotu da preciznije izvodi pokrete, održava ravnotežu i reagira na neočekivane prepreke.

Rezultirajuća noga je kompaktna i napaja se baterijama. Jedno punjenje prijenosne baterije osiguralo je dovoljno energije da se noga savije u koljenu tisuće puta u jednom satu. Postizanje sličnih mogućnosti s drugim tehnologijama mekanih aktuatora bilo bi iznimno teško, ako ne i nepraktično. Ova energetska učinkovitost i autonomija čine ove umjetne mišiće iznimno obećavajućima za širok spektar primjena.

Širi kontekst i buduće primjene

Razvoj ovih "koštanih mišića" predstavlja značajan korak naprijed u području meke robotike, grane robotike koja se fokusira na izradu robota od materijala koji su po svojoj prirodi fleksibilni i prilagodljivi. Za razliku od tradicionalnih robota, mekani roboti mogu sigurno raditi uz ljude, manipulirati osjetljivim objektima i kretati se kroz složene, nestrukturirane okoline. Potencijalne primjene su ogromne i raznolike.

U medicini, ovi mišići bi mogli revolucionirati protetiku, stvarajući udove koji su ne samo funkcionalni, već i osjetljivi i prirodniji za korisnika. Mogli bi se koristiti u razvoju egzoskeleta za pomoć osobama s invaliditetom ili za rehabilitaciju. U industriji, roboti opremljeni ovim mišićima mogli bi preuzeti zadatke koji zahtijevaju nježno rukovanje, poput pakiranja osjetljivih proizvoda ili rada u skučenim prostorima. Njihova sposobnost apsorpcije udaraca čini ih idealnima za rad u dinamičnim i nepredvidivim okruženjima, smanjujući rizik od oštećenja opreme ili ozljeda.

Također, ovi mišići otvaraju nove mogućnosti za istraživanje i spašavanje. Roboti s takvim mišićima mogli bi se kretati kroz ruševine, uske prolaze ili opasne terene s većom agilnošću i otpornošću. U području istraživanja svemira, fleksibilni roboti bi mogli biti idealni za manipulaciju uzorcima na drugim planetima ili za popravke u svemiru, gdje su preciznost i prilagodljivost ključni. Dr. Truby s entuzijazmom gleda na to kako ovi umjetni mišići mogu potaknuti nove smjerove za humanoidne i životinjske robote, otvarajući put za strojeve koji su ne samo inteligentni, već i fizički sposobni za interakciju sa svijetom na način koji je dosad bio rezerviran samo za živa bića.

Istraživanje je objavljeno u prestižnom časopisu Advanced Materials, što potvrđuje njegovu znanstvenu važnost i inovativnost. Osim Ryana Trubyja i Taekyounga Kima, u studiji su sudjelovali i Eliot Dunn, srednjoškolski istraživački pripravnik u Robotic Matter Labu, te Melinda Chen, sudionica programa Research Experience for Undergraduates pri Northwestern University Materials Research Science and Engineering Centeru. Rad je podržan od strane Ureda za pomorska istraživanja (Office of Naval Research) te Leslie i Mac McQuown putem Centra za inženjersku održivost i otpornost (Center for Engineering Sustainability and Resilience) Northwestern Universityja. Ova suradnja različitih razina istraživača i podrška ključnih institucija naglašava multidisciplinarni pristup i značaj ovog otkrića za budućnost robotike.

Izvor: Northwestern University