Ingenieurs ontwikkelen hoge-prestatie kunstmatige spier technologie

Ingenieurs aan de Northern Arizona University (NAU) hebben een nieuwe, hoge-prestatie kunstmatige spier technologie ontwikkeld die meer mensachtige beweging mogelijk maakt. De flexibele en aanpasbare technologie heeft aangetoond dat het menselijke skeletspier in verschillende metrieken kan overtreffen.

Onderzoekers vertrouwen vaak op de principes van biomimetiek om betere aandrijftechnologieën en zachte robotica te ontwikkelen. In biomimetiek worden machineonderdelen ontworpen om de beweging van menselijke spieren na te bootsen, in de hoop ze te overtreffen.

Robots in biologische vorm

Actuatoren zoals elektrische motoren zijn stijf, wat hun mogelijkheden beperkt, dus biomimetische prothesen en actuatoren moeten veranderen als robots een meer biologische vorm aannemen.

De nieuwe, hoge-prestatie kunstmatige spier technologie is ontwikkeld in het Dynamic Active Systems Laboratory van NAU. Het artikel, gepubliceerd in Science Robotics, heeft als titel “Cavatappi kunstmatige spieren van tekenen, draaien en coilen van polymeren buizen.”

Het artikel is geschreven door associate professor Michael Shafer en professor Heidi Feigenbaum van de afdeling Mechanische Ingenieurswetenschappen van NAU. Zij werden bijgestaan door graduate student onderzoeker Diego Higueras-Ruiz.

“We noemen deze nieuwe lineaire actuatoren cavatappi kunstmatige spieren vanwege hun gelijkenis met de Italiaanse pasta,” zei Shafer.

Kunstmatige spier vs. menselijke skeletspieren

De actuatoren zijn geschikt voor bio-engineering en robotica-toepassingen vanwege hun gewonden structuur, die meer kracht genereert. De ingenieurs hebben aangetoond dat cavatappi kunstmatige spieren werk- en krachtmeters vertonen die tien en vijf keer hoger zijn dan die van menselijke skeletspieren, respectievelijk. Naarmate ze verder worden ontwikkeld, worden ze verwacht om nog hoger te presteren.

“De cavatappi kunstmatige spieren zijn gebaseerd op gedraaide polymeren actuatoren (TPA’s), die vrij revolutionair waren toen ze voor het eerst uitkwamen omdat ze krachtig, licht en goedkoop waren. Maar ze waren erg inefficiënt en langzaam om te activeren omdat je ze moest verwarmen en afkoelen. Bovendien is hun efficiëntie slechts ongeveer twee procent,” zei Shafer. “Voor de cavatappi komen we hieromheen door gebruik te maken van geperst vloeistof om te activeren, dus denken we dat deze apparaten veel waarschijnlijker zullen worden geadopteerd. Deze apparaten reageren ongeveer even snel als we het vloeistof kunnen pompen. Het grote voordeel is hun efficiëntie. We hebben een contractiele efficiëntie van maximaal ongeveer 45 procent aangetoond, wat een zeer hoog getal is in het veld van zachte aandrijving.”

Volgens de ingenieurs kan deze technologie nuttig zijn in toepassingen van zachte robotica, conventionele robotactuatoren en hulpmiddelen zoals exoskeletten en prothesen.

“We verwachten dat toekomstig onderzoek het gebruik van cavatappi kunstmatige spieren in veel toepassingen zal omvatten vanwege hun eenvoud, lage kosten, licht gewicht, flexibiliteit, efficiëntie en eigenschappen voor energieterugwinning, onder andere voordelen,” zei Shafer.

De nieuwe technologie is beschikbaar voor licentie en partnerschap en bevindt zich nu in de beschermings- en vroege commercialisatiefase.

Compliante, biomimetische aandrijftechnologieën zullen grote implicaties hebben naarmate ze verder worden ontwikkeld. Ze zijn zowel efficiënt als krachtig wanneer ze in robotische systemen worden gebruikt en kunnen helpen om ze te laten interacteren, versterken en uiteindelijk te integreren met mensen.