Наши мышцы — идеальные приводы природы, устройства, преобразующие энергию в движение. Для своего размера мышечные волокна более мощные и точные, чем большинство синтетических приводов. Они могут даже исцелиться от повреждений и стать сильнее благодаря упражнениям.
По этим причинам инженеры изучают способы оснащения роботов естественными мышцами. Они продемонстрировали несколько «биогибридных» роботов, которые используют мышечные приводы для приведения в действие искусственных скелетов, которые ходят, плавают, качают воду и хватаются. Но для каждого бота существует совершенно разная конструкция, и нет общего плана того, как максимально эффективно использовать мускулы для той или иной конструкции робота.
Теперь инженеры Массачусетского технологического института разработали пружинное устройство, которое можно использовать в качестве базового скелетоподобного модуля практически для любого мускулистого бота. Новая пружина, или «изгиб», предназначена для максимальной работы любых прикрепленных мышечных тканей. Подобно жиму ногами, который рассчитан на нужный вес, устройство максимизирует количество движений, которые мышцы могут естественным образом производить.
Исследователи обнаружили, что когда они прикрепляют к устройству кольцо из мышечной ткани, наподобие резиновой ленты, натянутой вокруг двух столбиков, мышца надежно и многократно натягивает пружину и растягивает ее в пять раз больше, по сравнению с другими предыдущими конструкциями устройств. .
Команда рассматривает конструкцию изгиба как новый строительный блок, который можно комбинировать с другими изгибами для создания любой конфигурации искусственных скелетов. Затем инженеры смогут оснастить скелеты мышечными тканями, обеспечивающими их движения.
Хотите больше последних новостей?
Подпишитесь на ежедневный информационный бюллетень Technology Networks, чтобы каждый день доставлять последние научные новости прямо на ваш почтовый ящик.
Подпишитесь БЕСПЛАТНО «Эти изгибы подобны скелету, который люди теперь могут использовать, чтобы превратить мышечную активацию в несколько степеней свободы движения очень предсказуемым образом», — говорит Риту Раман, британский профессор карьерного роста и Алекса д’Арбелофф в области инженерного дизайна. в Массачусетском технологическом институте. «Мы даем робототехникам новый набор правил, позволяющий создавать мощных и точных роботов с мускульной силой, которые будут делать интересные вещи».
Раман и ее коллеги сообщают подробности новой конструкции изгиба в статье, опубликованной сегодня в журнале. Передовые интеллектуальные системы. Среди соавторов исследования в Массачусетском технологическом институте: Наоми Линч ’12, SM ’23; студентка Тара Шихан; аспиранты Николас Кастро, Лаура Росадо и Брэндон Риос; и профессор машиностроения Мартин Калпеппер.
Мышечная тяга
Оставленная в чашке Петри в благоприятных условиях, мышечная ткань будет сокращаться сама по себе, но в направлениях, которые не совсем предсказуемы и не приносят особой пользы.
«Если мышца ни к чему не прикреплена, она будет много двигаться, но с огромной изменчивостью, просто колеблясь в жидкости», — говорит Раман.
Чтобы заставить мышцу работать как механический привод, инженеры обычно прикрепляют полосу мышечной ткани между двумя небольшими гибкими штифтами. Поскольку мышечная группа естественным образом сокращается, она может сгибать стойки и стягивать их вместе, производя движение, которое в идеале могло бы привести в движение часть роботизированного скелета. Но в этих конструкциях мышцы производят ограниченное движение, главным образом потому, что ткани сильно различаются в том, как они соприкасаются со штифтами. В зависимости от того, где мышцы расположены на стойках и какая часть поверхности мышц касается стойки, мышцам может удастся стянуть стойки вместе, но в других случаях они могут неконтролируемо раскачиваться.
Группа Рамана стремилась спроектировать скелет, который фокусирует и максимизирует сокращения мышц независимо от того, где именно и как они расположены на скелете, чтобы обеспечить максимальное движение предсказуемым и надежным способом.
«Вопрос в том, как нам создать скелет, который наиболее эффективно использует силу, генерируемую мышцами?» — говорит Раман.
Исследователи сначала рассмотрели несколько направлений, в которых мышца может естественным образом двигаться. Они пришли к выводу, что если мышца должна соединить две стойки вместе в определенном направлении, стойки должны быть соединены с пружиной, которая позволяет им двигаться только в этом направлении при натяжении.
«Нам нужно устройство, которое было бы очень мягким и гибким в одном направлении и очень жестким во всех других направлениях, чтобы при сокращении мышцы вся эта сила эффективно преобразовывалась в движение в одном направлении», — говорит Раман.
Мягкий флекс
Как оказалось, Раман нашел множество таких устройств в лаборатории профессора Мартина Калпеппера. Группа Калпеппера в Массачусетском технологическом институте специализируется на проектировании и производстве элементов машин, таких как миниатюрные приводы, подшипники и другие механизмы, которые могут быть встроены в машины и системы, обеспечивающие сверхточное перемещение, измерение и управление для широкого спектра применений. Среди прецизионных обработанных элементов группы есть гибкие устройства — пружинные устройства, часто изготовленные из параллельных балок, которые могут сгибаться и растягиваться с точностью до нанометра.
«В зависимости от того, насколько тонкими и далеко друг от друга расположены балки, вы можете изменить жесткость пружины», — говорит Раман.
Она и Калпеппер объединились, чтобы разработать изгиб, специально разработанный с конфигурацией и жесткостью, позволяющий мышечной ткани естественным образом сокращаться и максимально растягивать пружину. Команда разработала конфигурацию и размеры устройства на основе многочисленных расчетов, которые они провели, чтобы связать естественные силы мышц с жесткостью изгиба и степенью движения.
Изгиб, который они в конечном итоге разработали, составляет 1/100 жесткости самой мышечной ткани. Устройство напоминает миниатюрную конструкцию, похожую на гармошку, углы которой прикреплены к основанию небольшой стойкой, расположенной рядом с соседней стойкой, прикрепленной непосредственно к основанию. Затем Раман обернул полосу мышц вокруг двух угловых стоек (команда слепила ленты из живых мышечных волокон, выращенных из клеток мыши) и измерил, насколько близко столбики сближались при сокращении мышечной полосы.
Команда обнаружила, что конфигурация изгиба позволяет мышечной группе сокращаться в основном в направлении между двумя стойками. Это целенаправленное сокращение позволило мышце сблизить штыри друг с другом — в пять раз ближе — по сравнению с предыдущими конструкциями мышечных приводов.
«Изгиб — это скелет, который мы разработали так, чтобы он был очень мягким и гибким в одном направлении и очень жестким во всех других направлениях», — говорит Раман. «Когда мышца сокращается, вся сила преобразуется в движение в этом направлении. Это огромное увеличение».
Команда обнаружила, что может использовать устройство для точного измерения мышечной активности и выносливости. Когда они меняли частоту мышечных сокращений (например, стимулируя полосы сокращаться один раз в секунду вместо четырех), они заметили, что мышцы «устают» при более высоких частотах и не создают такой сильной тяги.
«Глядя на то, как быстро наши мышцы устают и как мы можем тренировать их, чтобы добиться реакции высокой выносливости, — это то, что мы можем обнаружить с помощью этой платформы», — говорит Раман.
В настоящее время исследователи адаптируют и комбинируют изгибы для создания точных, шарнирно-сочлененных и надежных роботов, приводимых в движение естественными мышцами.
«Примером робота, который мы пытаемся создать в будущем, является хирургический робот, который сможет выполнять минимально инвазивные процедуры внутри тела», — говорит Раман. «Технически мышцы могут приводить в действие роботов любого размера, но мы особенно заинтересованы в создании маленьких роботов, поскольку именно здесь биологические приводы превосходят других с точки зрения силы, эффективности и адаптируемости».
Ссылка: Линч Н., Кастро Н., Шихан Т. и др. Улучшение и расшифровка работы мышечных приводов с изгибами. Adv интеллектуальная система. 2024:2300834. дои: 10.1002/aisy.202300834
Статья переиздана по следующим материалам. Примечание: материал мог быть отредактирован по объему и содержанию. Для получения дополнительной информации обращайтесь к указанному источнику.
2024-04-09 08:43:46
1712652609
#Разработаны #гибкие #скелеты #для #мягких #роботов #мускульной #силой
