Ingeniører utvikler høytytende kunstig muskelteknologi

Ingeniører ved Northern Arizona University (NAU) har utviklet en ny, høytytende kunstig muskelteknologi som muliggjør mer menneskelignende bevegelse. Den fleksible og tilpassende teknologien har vist seg å kunne overgå menneskelige skjelett-musklene i flere mål.

Forskere bruker ofte prinsipper fra biomimetikk for å utvikle bedre aktuator-teknologier og myke roboter. I biomimetikk designes maskinkomponenter for å etterligne bevegelsen til menneskelige muskler, i håp om å overgå dem.

Roboter i biologisk form

Aktuatorer som elektriske motorer er stive, noe som begrenser dem i deres evner, så biomimetiske proteser og aktuatorer må endres når roboter tar på seg en mer biologisk form.

Den nye, høytytende kunstig muskelteknologien ble utviklet i NAU’s Dynamic Active Systems Laboratory. Artikkelen, som er publisert i Science Robotics, har tittelen “Cavatappi kunstig muskler fra tegning, twisting og coiling polymer-rør.”

Artikkelen er skrevet av associate professor Michael Shafer og professor Heidi Feigenbaum fra NAU’s avdeling for maskinteknikk. De fikk hjelp av forskerstudent Diego Higueras-Ruiz.

“Vi kaller disse nye lineære aktuatorer for cavatappi kunstig muskler på grunn av deres likhet med den italienske pastatype,” sa Shafer.

Kunstig muskel vs. menneskelige skjelett-musklene

Aktuatorer er egnet for bioingeniør- og robotikk-applikasjoner på grunn av deres spiralstruktur, som genererer mer kraft. Ingeniørene viste at cavatappi kunstig muskler har arbeid og kraft-mål som er ti og fem ganger høyere enn menneskelige skjelett-musklene, henholdsvis. Ettersom de fortsetter å utvikle seg, forventes de å øke ytterligere i ytelse.

“Cavatappi kunstig muskler er basert på twisted polymer-aktuatorer (TPA), som var ganske revolusjonære da de først kom ut fordi de var kraftfulle, lette og billige. Men de var svært ineffektive og langsomme å aktiveres fordi man måtte varme og avkjøle dem. I tillegg er deres effektivitet bare om lag to prosent,” sa Shafer. “For cavatappi, kommer vi rundt dette ved å bruke trykkfluid for å aktiveres, så vi tror disse enhetene er langt mer sannsynlige å bli adoptert. Disse enhetene reagerer omtrent like raskt som vi kan pumpe fluidet. Den store fordelen er deres effektivitet. Vi har demonstrert kontraktile effektivitet på opptil om lag 45 prosent, som er et svært høyt tall i feltet for myk aktivering.”

Ifølge ingeniørene kan denne teknologien være nyttig i myke robot-applikasjoner, konvensjonelle robot-aktuatorer og assistive teknologier som eksoskjeletter og proteser.

“Vi forventer at fremtidig arbeid vil inkludere bruk av cavatappi kunstig muskler i mange applikasjoner på grunn av deres enkelhet, lav kostnad, lett vekt, fleksibilitet, effektivitet og spenning-energi-gjenvinningsegenskaper, blant andre fordeler,” sa Shafer.

Den nye teknologien er tilgjengelig for lisensiering og samarbeid, og den er nå i beskyttelses- og tidlig kommersialisering fase.

Overensstemmende, biomimetiske aktuator-teknologier vil ha store implikasjoner ettersom de fortsetter å utvikles. De er både effektive og kraftfulle når de brukes i robot-systemer, og de kan hjelpe å muliggjøre at de kan samhandle, forbedre og til slutt integrere med mennesker.