O echipa de ingineri de la reputatul Massachusetts Institute of Technology (MIT) a dezvoltat un dispozitiv asemanator unui arc care ar putea fi folosit ca schelet artificial pentru aproape orice robot cu muschi.
Noul resort este conceput pentru a exploata la maximum orice tesut muscular atasat, iar dispozitivul maximizeaza cantitatea de miscare pe care un muschi o poate produce în mod natural.
Tesut muscular cultivat în laborator
Cercetatorii au descoperit ca, atunci când au montat un inel de tesut muscular pe dispozitiv, la fel ca o banda de cauciuc întinsa în jurul a doi stâlpi, muschiul a tras de arc, în mod fiabil si repetat, si l-a întins de cinci ori mai mult, în comparatie cu alte modele de dispozitive anterioare.
Echipa a realizat ca acest nou design de constructie poate fi combinat cu alte tipuri de flexiune pentru a construi orice configuratie de schelete artificiale. Inginerii pot apoi sa echipeze scheletele cu tesuturi musculare pentru a le alimenta miscarile.
„Aceste elemente flexibile formeaza un fel de schelet pe care oamenii îl pot folosi acum pentru a da muschilor robotici mai multe grade de libertate de miscare într-un mod foarte previzibil”, spune Ritu Raman, specialista în domeniul designului si ingineriei la MIT.
„Le oferim roboticienilor un nou set de reguli pentru a realiza roboti puternici si precisi, alimentati de muschi, care fac lucruri interesante.” Atunci când este lasat pe un disc Petri în conditii favorabile, tesutul muscular se va contracta de unul singur, dar în directii care nu sunt în întregime previzibile sau de utilitate.
„Daca muschiul nu este atasat de nimic, se va misca foarte mult, dar cu o variabilitate uriasa, agitându-se, pur si simplu, în lichid”, spune Raman. Pentru a face ca un muschi sa functioneze ca un actuator mecanic – un element de actionare, de tip motor folosit în sistemele automate pentru executarea comenzilor – inginerii ataseaza de obicei o banda de tesut muscular între doi stâlpi mici si flexibili.
Pe masura ce banda musculara se contracta în mod natural, aceasta poate îndoi stâlpii si îi poate trage împreuna, producând o miscare care, în mod ideal, ar alimenta o parte a unui schelet robotic. Dar în aceste modele muschii au produs o miscare limitata, în principal din cauza faptului ca tesuturile sunt foarte variabile în privinta felului cum intra în contact cu stâlpii.
În functie de locul în care muschii sunt plasati pe stâlpi si de cât de mult din suprafata musculara atinge stâlpul, muschii pot reusi sa traga stâlpii împreuna, dar alteori pot oscila în moduri incontrolabile.
Grupul lui Raman a cautat sa proiecteze un schelet care sa concentreze si sa maximizeze contractiile unui muschi, indiferent de locul exact si de modul în care acesta este plasat pe schelet, pentru a genera cea mai mare parte a miscarii într-un mod previzibil si fiabil.
„Avem nevoie de un dispozitiv care sa fie foarte moale si flexibil într-o directie si foarte rigid în toate celelalte directii, astfel încât, atunci când un muschi se contracta, toata aceasta forta sa fie convertita eficient în miscare într-o singura directie”, spune Raman. A gasit multe astfel de dispozitive în laboratorul profesorului Martin Culpepper. Grupul lui Culpepper de la MIT este specializat în proiectarea si fabricarea de elemente de masini, cum ar fi actuatori miniaturali, rulmenti si alte mecanisme, care pot fi încorporate în masini si sisteme pentru a permite miscari, masuratori si control ultraprecise, pentru o mare varietate de aplicatii.
Chirurgia – unul dintre primele domenii de aplicare
Raman si Culpepper au fa-cut echipa pentru a proiecta un element flexibil special adaptat, cu o configuratie si o rigiditate care sa permita tesutului muscular sa se contracte în mod natural si sa întinda la maximum resortul. Echipa a proiectat configuratia si dimensiunile dispozitivului pe baza numeroaselor calcule efectuate pentru a corela fortele naturale ale unui muschi cu rigiditatea si gradul de miscare al elementului flexibil.
Dispozitivul seamana cu un acordeon miniatural, ale carui colturi sunt fixate de o baza prin intermediul unui stâlp mic, care este asezat lânga un stâlp alaturat, montat direct pe baza. Raman a înfasurat apoi o banda de muschi în jurul celor doi stâlpi de colt (echipa a modelat benzile din fibre musculare vii pe care le-a cultivat din celule de soarece) si a masurat cât de mult se apropiau stâlpii pe masura ce banda musculara se contracta.
„Elementele flexibile constituie un schelet pe care l-am proiectat pentru a fi foarte moale într-o directie si foarte rigid în toate celelalte directii, asemenea felului cum functioneaza muschii umani”, spune Raman. „Când muschiul se contracta, toata forta este convertita în miscare în acea directie. Amplificarea fortei este uriasa.”
Echipa a descoperit ca ar putea folosi dispozitivul pentru a masura cu precizie performanta si rezistenta musculara. Atunci când au variat frecventa contractiilor musculare, savantii au observat ca muschii „obosesc” la frecvente mai mari si nu mai genereaza la fel de multa forta de tractiune – ceva similar se întâmpla si cu muschii umani. Cercetatorii adapteaza si combina acum elementele flexibile pentru a construi roboti precisi, articulati si fiabili, alimentati de muschii naturali.
„Un exemplu de robot pe care încercam sa îl construim în viitor este un robot chirurgical care poate efectua proceduri minim invazive în interiorul corpului uman”, spune Raman. „Din punct de vedere tehnic, muschii pot alimenta roboti de orice dimensiune, dar suntem deosebit de entuziasmati de realizarea de roboti mici, deoarece aici exceleaza actuatorii biologici în ceea ce priveste rezistenta, eficienta si adaptabilitatea.”
GABRIEL TUDOR
Comentarii