Ingenjörer utvecklar högpresterande teknologi för artificiell muskel

Ingenjörer vid Northern Arizona University (NAU) har utvecklat en ny, högpresterande teknologi för artificiell muskel som möjliggör mer mänsklig rörelse. Den flexibla och anpassningsbara teknologin har visat sig kunna överträffa den mänskliga skelettmuskeln i flera avseenden.

Forskare förlitar sig ofta på principerna för biomimetik för att utveckla bättre aktiveringsteknologier och mjuka robotar. I biomimetik utformas maskinkomponenter för att efterlikna rörelsen av mänskliga muskler, i syfte att överträffa dem.

Robotar i biologisk form

Aktuatorer som elektriska motorer är styva, vilket begränsar dem i deras förmågor, så biomimetiska proteser och aktuatorer måste förändras när robotar antar en mer biologisk form.

Den nya, högpresterande teknologin för artificiell muskel utvecklades i NAU:s Dynamic Active Systems Laboratory. Artikeln, som publicerats i Science Robotics, har titeln “Cavatappi artificiella muskler från ritning, vridning och rullning av polymerrör”.

Artikeln skrevs av associate professor Michael Shafer och professor Heidi Feigenbaum från NAU:s avdelning för maskinteknik. De fick hjälp av forskarstuderanden Diego Higueras-Ruiz.

“Vi kallar dessa nya linjära aktuatorer cavatappi artificiella muskler på grund av deras likhet med den italienska pastan”, sa Shafer.

Artificiell muskel vs. mänsklig skelettmuskel

Aktuatorerna är lämpliga för bioingenjörs- och robotikapplikationer med tanke på deras spiralstruktur, som genererar mer kraft. Ingenjörerna visade att cavatappi artificiella muskler uppvisar arbete och effektmått som är tio och fem gånger högre än den mänskliga skelettmuskeln, respectively. När de fortsätter att utvecklas förväntas de öka ännu mer i prestanda.

“Cavatappi artificiella muskler baseras på vridna polymeraktuatorer (TPA), som var ganska revolutionerande när de först kom ut eftersom de var kraftfulla, lätta och billiga. Men de var mycket ineffektiva och långsamma att aktivera eftersom man var tvungen att värma och kyla dem. Dessutom är deras effektivitet bara cirka två procent”, sa Shafer. “För cavatappi undviker vi detta genom att använda trycksatt vätska för att aktivera, så vi tror att dessa enheter är mycket mer sannolika att antas. Dessa enheter svarar ungefär så snabbt som vi kan pumpa vätskan. Den stora fördelen är deras effektivitet. Vi har visat kontraktions-effektivitet på upp till cirka 45 procent, vilket är ett mycket högt tal inom området för mjuk aktivering.”

Enligt ingenjörerna kan denna teknik vara användbar i mjuka robotikapplikationer, konventionella robotaktuatorer och hjälpmedelsteknologier som exoskelett och proteser.

“Vi förväntar oss att framtida arbete kommer att inkludera användning av cavatappi artificiella muskler i många applikationer på grund av deras enkelhet, låga kostnad, låg vikt, flexibilitet, effektivitet och återvinningsförmåga för sträckenergi, bland andra fördelar”, sa Shafer.

Den nya teknologin är tillgänglig för licensiering och partnerskap, och den är nu i skyddande och tidig kommersiell fas.

Efterlevande, biomimetiska aktiveringsteknologier kommer att ha stora implikationer när de fortsätter att utvecklas. De är både effektiva och kraftfulla när de används i robotiska system, och de kan hjälpa till att möjliggöra interaktion, förstärkning och slutligen integration med människor.