วิศวกรพัฒนาเทคโนโลยีกล้ามเนื้อเทียมประสิทธิภาพสูง

วิศวกรจากมหาวิทยาลัยแห่งรัฐแอริโซนา (NAU) ได้พัฒนาเทคโนโลยีกล้ามเนื้อเทียมประสิทธิภาพสูงรูปแบบใหม่ที่ช่วยให้การเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์คล้ายมนุษย์มากขึ้น เทคโนโลยีที่ยืดหยุ่นและปรับเปลี่ยนได้แสดงให้เห็นว่ามันสามารถทำงานได้ดีกว่ากล้ามเนื้อกระดูกของมนุษย์ในหลายด้าน

นักวิจัยมักพึ่งพาหลักการของไบโอมีเมติกส์ในการพัฒนาเทคโนโลยีการเคลื่อนไหวและหุ่นยนต์แบบอ่อน ในไบโอมีเมติกส์ ส่วนประกอบของเครื่องจักรถูกออกแบบให้เลียนแบบการเคลื่อนไหวของกล้ามเนื้อของมนุษย์ โดยหวังว่าจะสามารถทำงานได้ดีกว่า

หุ่นยนต์ในรูปแบบชีวภาพ

เครื่องกระตุ้น เช่น มอเตอร์ไฟฟ้า เป็นเครื่องกระตุ้นที่มีความแข็ง ซึ่งจำกัดความสามารถของมัน ดังนั้นเครื่องกระตุ้นและเครื่องประดิษฐ์ที่เลียนแบบชีวภาพจึงต้องเปลี่ยนแปลงเมื่อหุ่นยนต์เริ่มมีรูปแบบชีวภาพมากขึ้น

เทคโนโลยีกล้ามเนื้อเทียมประสิทธิภาพสูงรูปแบบใหม่นี้ถูกพัฒนาในห้องปฏิบัติการ Dynamic Active Systems Laboratory ของ NAU การวิจัยนี้ตีพิมพ์ใน Science Robotics ภายใต้ชื่อ “Cavatappi artificial muscles from drawing, twisting, and coiling polymer tubes“

การวิจัยนี้ได้รับการเขียนโดย Michael Shafer รองศาสตราจารย์ และ Heidi Feigenbaum ศาสตราจารย์จากภาควิชาวิศวกรรมเครื่องจักรของ NAU โดยได้รับการช่วยเหลือจากนักวิจัยระดับบัณฑิตศึกษา Diego Higueras-Ruiz

“เรียกว่าเครื่องกระตุ้นเชิงเส้นนี้ว่ากล้ามเนื้อเทียมคาวาตัปปี เนื่องจากมีลักษณะคล้ายกับพาสต้าแบบอิตาเลียน” Shafer กล่าว

กล้ามเนื้อเทียมเทียบกับกล้ามเนื้อกระดูกของมนุษย์

เครื่องกระตุ้นนี้เหมาะสำหรับการใช้งานในด้านวิศวกรรมชีวภาพและหุ่นยนต์ เนื่องจากมีโครงสร้างที่เป็นเกลียว ซึ่งสามารถสร้างพลังงานได้มากขึ้น วิศวกรได้แสดงให้เห็นว่ากล้ามเนื้อเทียมคาวาตัปปีมีค่าทำงานและพลังงานสูงกว่ากล้ามเนื้อกระดูกของมนุษย์ถึง 10 และ 5 เท่าตามลำดับ และคาดว่าจะมีการปรับปรุงประสิทธิภาพมากขึ้นในอนาคต

“กล้ามเนื้อเทียมคาวาตัปปีนี้อาศัยเครื่องกระตุ้นแบบทวิสต์พลาสติก (TPAs) ซึ่งเป็นเครื่องกระตุ้นที่มีพลังงานสูง แต่มีประสิทธิภาพต่ำและช้าในการกระตุ้นเนื่องจากต้องใช้การทำความร้อนและเย็น และมีประสิทธิภาพเพียง 2% เท่านั้น” Shafer กล่าว “สำหรับกล้ามเนื้อเทียมคาวาตัปปี เราใช้ของเหลวที่ถูกกดดันเพื่อกระตุ้น ทำให้เราเชื่อว่าเครื่องจักรเหล่านี้มีโอกาสที่จะถูกนำมาใช้มากขึ้น เครื่องจักรเหล่านี้สามารถตอบสนองได้เร็วเท่ากับที่เราสามารถปั๊มของเหลวได้ และข้อได้เปรียบหลักคือประสิทธิภาพ เราได้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพการหดตัวสูงถึง 45% ซึ่งเป็นตัวเลขที่สูงมากในด้านการกระตุ้นแบบอ่อน”

ตามที่วิศวกรกล่าวว่าเทคโนโลยีนี้สามารถใช้ได้ในหลายด้าน เช่น หุ่นยนต์แบบอ่อน การกระตุ้นแบบดั้งเดิม และเทคโนโลยีช่วยเหลือ เช่น เอกซอสเกเลตันและเครื่องประดิษฐ์

“เราคาดหวังว่างานในอนาคตจะรวมถึงการใช้กล้ามเนื้อเทียมคาวาตัปปีในหลายด้านเนื่องจากความเรียบง่าย ต้นทุนต่ำ น้ำหนักเบา ความยืดหยุ่น ประสิทธิภาพ และคุณสมบัติการกู้คืนพลังงาน” Shafer กล่าว

เทคโนโลยีนี้พร้อมสำหรับการออกใบอนุญาตและร่วมมือ และอยู่ในขั้นตอนการคุ้มครองและเชิงพาณิชย์ในช่วงแรก

เทคโนโลยีการกระตุ้นแบบชีวภาพที่ยืดหยุ่นและปรับเปลี่ยนได้จะมีผลกระทบอย่างมากเมื่อถูกพัฒนาในอนาคต เทคโนโลยีเหล่านี้มีประสิทธิภาพและพลังงานสูงเมื่อใช้ในระบบหุ่นยนต์ และสามารถช่วยให้หุ่นยนต์สามารถโต้ตอบ เพิ่มประสิทธิภาพ และรวมเข้ากับมนุษย์ได้