Insinöörit kehittävät korkean suorituskyvyn keinotekoisen lihasTeknologian

Pohjois-Arizonan yliopiston (NAU) insinöörit ovat kehittäneet uuden, korkean suorituskyvyn keinotekoisen lihasTeknologian, joka mahdollistaa enemmän ihmismäisen liikkeen. Joustava ja sopeutuva teknologia on osoittanut kykynsä ylittää ihmisen luurankolihas useissa mittareissa.

Tutkijat luottavat usein biomimeesiin periaatteisiin kehittääkseen parempia aktuaattoriteknologioita ja pehmeitä roboteja. Biomimeesissä koneen osat on suunniteltu jäljittelemään ihmisen lihasten liikettä, toivoen ylittävänsä ne.

Robotit biologisessa muodossa

Aktuaattorit, kuten sähkömoottorit, ovat järeitä, mikä rajoittaa niiden kykyjä, joten biomimeettiset proteesit ja aktuaattorit on muutettava, kun robotit ottavat enemmän biologisen muodon.

Uusi, korkean suorituskyvyn keinotekoinen lihasTeknologia kehitettiin NAU:n Dynamic Active Systems Laboratoryssa. Julkaistu tutkimus Science Robotics -julkaisussa on otsikoitu ”Cavatappi keinotekoiset lihakset piirtämisestä, kiertämisestä ja kiertymisestä polymeriputkista.”

Tutkimuksen tekijöinä olivat apulaisprofessori Michael Shafer ja professori Heidi Feigenbaum NAU:n konetekniikan osastolta. Heidän avustajanaan toimi jatko-opiskelija Diego Higueras-Ruiz.

“Kutsumme näitä uusia lineaarisia aktuaattoreita cavatappi-keinotekoisiksi lihaksiksi niiden muistuttaessa italialaista pastaa,” Shafer sanoi.

Keinotekoinen lihas vs. ihmisen luurankolihas

Aktuaattorit ovat soveliaita bioinsinööritieteellisiin ja robotti-sovelluksiin kiertymäisrakenteensa ansiosta, joka tuottaa enemmän voimaa. Insinöörit osoittivat, että cavatappi-keinotekoiset lihakset näyttävät työ- ja tehokkuusmittareita, jotka ovat kymmenen ja viiden kertaa korkeammat kuin ihmisen luurankolihas. Niiden kehittyessä niiden odotetaan saavuttavan jopa korkeamman suorituskyvyn.

“Cavatappi-keinotekoiset lihakset perustuvat kiertymäpolymeeri-aktuaattoreihin (TPA), jotka olivat aikanaan vallankumouksellisia, koska ne olivat voimakkaita, kevyitä ja halpoja. Mutta ne olivat hyvin epätarkoituksenmukaisia ja hitaita toimimaan, koska niitä piti lämmittää ja jäädyttää. Lisäksi niiden hyötysuhde on vain noin kaksi prosenttia,” Shafer sanoi. “Cavatappi-keinotekoisissa lihaksissa me kiertämme tämän ongelman käyttämällä paineastetta aktuaattorina, joten uskomme, että nämä laitteet ovat paljon todennäköisemmin hyväksyttäviä. Nämä laitteet reagoivat noin yhtä nopeasti kuin voidaan pumpata nestettä. Suuri etu on niiden hyötysuhde. Olemme osoittaneet, että niiden kontraktiivinen hyötysuhde on jopa 45 prosenttia, mikä on erittäin korkea luku pehmeän aktuaation alalla.”

Insinöörien mukaan tämä teknologia voisi olla hyödyllinen pehmeiden robotti-sovellusten, perinteisten robotti-aktuaattorien ja avustavien teknologioiden, kuten eksoskelettien ja proteesien, kehittämisessä.

“Odotamme, että tulevaisuuden tutkimus sisältää cavatappi-keinotekoisien lihasten käytön monissa sovelluksissa niiden yksinkertaisuuden, matalan hinnan, keveyden, joustavuuden, hyötysuhteen ja jännitysenergian palautusominaisuuksien ansiosta,” Shafer sanoi.

Uusi teknologia on saatavilla lisensioitavaksi ja yhteistyökumppanuksien muodostamiseksi, ja se on nyt suojelu- ja varhaisessa kaupallistamisvaiheessa.

Sopivat, biomimeettiset aktuaattoriteknologiat tulevat olemaan merkittäviä, kun niitä kehitetään edelleen. Ne ovat sekä tehokkaita että voimakkaita, kun niitä käytetään robotti-järjestelmissä, ja ne voivat auttaa niitä vuorovaikussa, lisäämään ja lopulta integroitumaan ihmisten kanssa.