Ingeniører udvikler højtydende kunstig muskelteknologi

Ingeniører fra Northern Arizona University (NAU) har udviklet en ny, højtydende kunstig muskelteknologi, der muliggør mere menneskelignende bevægelser. Den fleksible og tilpasningsdygtige teknologi har vist sig at kunne overgå den menneskelige skeletmuskel på flere parametre.

Forskere søger ofte at udnytte principperne om biomimetik til at udvikle bedre aktuationsteknologier og bløde robotter. I biomimetik designes maskinkomponenter til at efterligne bevægelserne af menneskelige muskler, i håb om at overgå dem.

Robotter i biologisk form

Aktuatorer som elektriske motorer er stive, hvilket begrænser dem i deres evner, så biomimetiske proteser og aktuatorer må ændres, når robotter antager en mere biologisk form.

Den nye, højtydende kunstig muskelteknologi blev udviklet på NAU’s Dynamic Active Systems Laboratory. Artiklen, der er offentliggjort i Science Robotics, har titlen “Cavatappi kunstige muskler fra tegning, twisting og coiling polymer-rør.”

Artiklen er skrevet af lektor Michael Shafer og professor Heidi Feigenbaum fra NAU’s afdeling for maskinteknik. De fik hjælp af ph.d.-studerende Diego Higueras-Ruiz.

“Vi kalder disse nye lineære aktuatorer for cavatappi kunstige muskler på grund af deres lighed med den italienske pasta,” sagde Shafer.

Kunstig muskel vs. menneskelig skeletmuskel

Aktuatorerne er velegnede til bioingeniør- og robottekniske anvendelser på grund af deres spiralstruktur, der genererer mere kraft. Ingeniørerne har demonstreret, at cavatappi kunstige muskler udviser arbejde og kraftparametre, der er ti og fem gange højere end dem for menneskelige skeletmuskler, henholdsvis. Da de fortsætter med at udvikle dem, forventes de at yde endnu bedre.

“Cavatappi kunstige muskler er baseret på twisted polymer aktuatorer (TPA’er), som var ret revolutionerende, da de først kom ud, fordi de var kraftfulde, lette og billige. Men de var meget ineffektive og langsomme at aktiveres, fordi man skulle varme og afkøle dem. Deres effektivitet er kun omkring to procent,” sagde Shafer. “For cavatappi’erne kommer vi rundt om dette ved at bruge trykket væske til at aktiveres, så vi mener, at disse enheder er langt mere sandsynlige at blive antaget. Disse enheder reagerer næsten lige så hurtigt, som vi kan pumpe væsken. Den store fordel er deres effektivitet. Vi har demonstreret kontraktions-effektivitet på op til omkring 45 procent, hvilket er et meget højt tal inden for soft aktuation.”

Ifølge ingeniørerne kan denne teknologi være nyttig i bløde robottekniske anvendelser, konventionelle robotaktuatorer og hjælpemidler som eksoskeletter og proteser.

“Vi forventer, at fremtidigt arbejde vil omfatte brugen af cavatappi kunstige muskler i mange anvendelser på grund af deres enkelhed, lave omkostninger, lette vægt, fleksibilitet, effektivitet og energigenvindingsegenskaber, blandt andre fordele,” sagde Shafer.

Den nye teknologi er til rådighed for licensering og partnerskab, og den er nu i beskyttelses- og tidlige kommercielle faser.

Overensstemmende, biomimetiske aktuationsteknologier vil have store konsekvenser, da de fortsætter med at udvikles. De er både effektive og kraftfulde, når de bruges i robotsystemer, og de kan hjælpe med at aktivere dem til at interagere, forstærke og til sidst integrere med mennesker.