Inżynierowie opracowują technologię wysokowydajnych sztucznych mięśni

Inżynierowie z Northern Arizona University (NAU) opracowali nową, wysokowydajną technologię sztucznych mięśni, która umożliwia bardziej ludzki ruch. Elastyczna i adaptacyjna technologia wykazała zdolność do przewyższenia ludzkich mięśni szkieletowych w kilku parametrach.

Naukowcy często opierają się na zasadach biomimetyki, aby opracować lepsze technologie aktuatorów i robotyki miękkiej. W biomimetyce komponenty maszyn są projektowane tak, aby naśladować ruch ludzkich mięśni, z nadzieją, że przewyższą je.

Roboty w biologicznej formie

Aktuary taki jak silniki elektryczne są sztywne, co ogranicza ich możliwości, więc biomimetyczne protezy i aktuary muszą się zmienić, gdy roboty przyjmują bardziej biologiczną formę.

Nowa, wysokowydajna technologia sztucznych mięśni została opracowana w laboratorium Dynamic Active Systems na NAU. Artykuł, opublikowany w Science Robotics, zatytułowany jest „Cavatappi sztuczne mięśnie z rysowania, skręcania i zwijania rurek polimerowych.”

Artykuł został napisany przez associate professor Michaela Shafera i profesora Heidi Feigenbaum z wydziału inżynierii mechanicznej NAU. Pomagał im student dyplomowy Diego Higueras-Ruiz.

“Nazywamy te nowe liniowe aktuary sztucznymi mięśniami cavatappi, ze względu na ich podobieństwo do włoskiego makaronu,” powiedział Shafer.

Sztuczne mięśnie a ludzkie mięśnie szkieletowe

Aktuary są odpowiednie dla zastosowań w inżynierii biomedycznej i robotyce ze względu na swoją skręconą strukturę, która generuje więcej mocy. Inżynierowie wykazali, że sztuczne mięśnie cavatappi wykazują parametry pracy i mocy dziesięć i pięć razy wyższe niż ludzkie mięśnie szkieletowe. Podczas dalszego rozwoju spodziewają się jeszcze wyższej wydajności.

“Sztuczne mięśnie cavatappi opierają się na skręconych polimerowych aktuatorach (TPA), które były dość rewolucyjne, gdy pojawiły się, ponieważ były potężne, lekkie i tanie. Ale były bardzo niewydajne i wolne do aktywacji, ponieważ trzeba było je nagrzać i schłodzić. Dodatkowo, ich wydajność wynosi tylko około 2%,” powiedział Shafer. “Dla cavatappi omijamy to, używając sprężonego płynu do aktywacji, więc uważamy, że te urządzenia są o wiele bardziej prawdopodobne do przyjęcia. Te urządzenia reagują tak szybko, jak możemy pompować płyn. Dużą zaletą jest ich wydajność. Wykazaliśmy skurczową wydajność do 45%, co jest bardzo wysokim wynikiem w dziedzinie miękkiej aktywacji.”

Według inżynierów, ta technologia może być przydatna w zastosowaniach robotyki miękkiej, konwencjonalnych aktuatorów robotów i technologii wspomagających, takich jak egzoszkielety i protezy.

“Spodziewamy się, że przyszła praca będzie obejmować zastosowanie sztucznych mięśni cavatappi w wielu zastosowaniach ze względu na ich prostotę, niski koszt, lekkość, elastyczność, wydajność i właściwości odzyskiwania energii, wśród innych korzyści,” powiedział Shafer.

Nowa technologia jest dostępna do licencjonowania i partnerstwa, i jest obecnie na etapie ochrony i wczesnej komercjalizacji.

Zgodne, biomimetyczne technologie aktywacji będą miały duże implikacje, gdy będą dalej rozwijane. Są one zarówno wydajne, jak i potężne, gdy są używane w systemach robotycznych, i mogą pomóc umożliwić im interakcję, wspomaganie i ostatecznie integrację z ludźmi.