Οι μύες μας είναι οι τέλειοι ενεργοποιητές της φύσης - συσκευές που μετατρέπουν την ενέργεια σε κίνηση. Για το μέγεθός τους, οι μυϊκές ίνες είναι πιο ισχυρές και ακριβείς από τους περισσότερους συνθετικούς ενεργοποιητές. Μπορούν ακόμη και να επουλωθούν από βλάβες και να δυναμώσουν με την άσκηση. Για αυτούς τους λόγους, οι μηχανικοί διερευνούν τρόπους για να τροφοδοτήσουν ρομπότ με φυσικούς μύες.
Έχουν παρουσιάσει μερικά «βιοϋβριδικά» ρομπότ, που χρησιμοποιούν ενεργοποιητές με βάση τους μύες, για να τροφοδοτούν τεχνητούς σκελετούς που περπατούν, κολυμπούν, αντλούν και πιάνουν. Αλλά για κάθε ρομπότ υπάρχει μια πολύ διαφορετική κατασκευή και κανένα γενικό σχέδιο για το πώς να αξιοποιηθούν στο έπακρο οι μύες για οποιοδήποτε συγκεκριμένο σχέδιο ρομπότ.
Τώρα, οι μηχανικοί του MIT έχουν αναπτύξει μια συσκευή που μοιάζει με ελατήριο, που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως βασική μονάδα που μοιάζει με σκελετό για σχεδόν οποιοδήποτε ρομποτ, που συνδέεται με τους μύες. Το νέο ελατήριο, ή «κάμψη», έχει σχεδιαστεί για να εκμεταλλεύεται όσο το δυνατόν περισσότερο τους συνδεδεμένους μυϊκούς ιστούς. Όπως μια πρέσα ποδιών που ταιριάζει ακριβώς με το σωστό βάρος, η συσκευή μεγιστοποιεί την κίνηση που μπορεί να παράγει φυσικά ένας μυς.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι, όταν τοποθέτησαν έναν δακτύλιο μυϊκού ιστού στη συσκευή, σαν ένα λάστιχο που τεντώνεται γύρω από δύο στύλους, ο μυς τραβούσε το ελατήριο, αξιόπιστα και επανειλημμένα και το τέντωσε πέντε φορές περισσότερο, σε σύγκριση με άλλα προηγούμενα σχέδια συσκευής.
Η ομάδα βλέπει το σχέδιο "κάμψης" ως ένα νέο δομικό στοιχείο που μπορεί να συνδυαστεί με άλλες κάμψεις για να χτίσει οποιαδήποτε διαμόρφωση τεχνητών σκελετών. Οι μηχανικοί μπορούν στη συνέχεια να προσαρμόσουν τους σκελετούς με μυϊκούς ιστούς για να τροφοδοτήσουν τις κινήσεις τους.
«Αυτές οι κάμψεις είναι σαν ένας σκελετός που οι άνθρωποι μπορούν τώρα να χρησιμοποιήσουν για να μετατρέψουν τη μυϊκή ενεργοποίηση σε πολλαπλούς βαθμούς ελευθερίας κίνησης με πολύ προβλέψιμο τρόπο», λένε ο Βρετανός Ρίτου Ράμαν και ο Άλεξ ντ' Αρμπελόφ, Καθηγητής Ανάπτυξης Καριέρας στο Μηχανικό Σχεδιασμό στο MIT. «Δίνουμε στη ρομποτική ένα νέο σύνολο κανόνων για να φτιάξουν ισχυρά και ακριβή ρομπότ με μυϊκή δύναμη που κάνουν ενδιαφέροντα πράγματα».
Οι επιστήμονες αναφέρουν τις λεπτομέρειες του νέου σχεδίου "κάμψης" σε μια δημοσίευση στο περιοδικό Advanced Intelligent Systems.
Μυϊκή έλξη
Όταν αφήνεται μόνος σε ένα τρυβλίο Petri σε ευνοϊκές συνθήκες, ο μυϊκός ιστός θα συστέλλεται μόνος του, αλλά σε κατευθύνσεις που δεν είναι απολύτως προβλέψιμες ή χρήσιμες. «Αν ο μυς δεν είναι προσκολλημένος σε τίποτα, θα κινηθεί πολύ, αλλά με τεράστια μεταβλητότητα, όπου απλώς πέφτει σε υγρό», λέει ο Ράμαν.
Για να κάνουν έναν μυ να λειτουργεί σαν μηχανικός ενεργοποιητής, οι μηχανικοί συνήθως προσαρτούν μια ζώνη μυϊκού ιστού ανάμεσα σε δύο μικρούς, εύκαμπτους στύλους. Καθώς η μυϊκή ζώνη συστέλλεται φυσικά, μπορεί να λυγίσει τους στύλους και να τους τραβήξει μαζί, παράγοντας κάποια κίνηση που θα τροφοδοτούσε ιδανικά μέρος ενός ρομποτικού σκελετού. Αλλά σε αυτά τα σχέδια, οι μύες έχουν δημιουργήσει περιορισμένη κίνηση, κυρίως επειδή οι ιστοί είναι τόσο μεταβλητοί ως προς τον τρόπο με τον οποίο έρχονται σε επαφή με τους στύλους. Ανάλογα με το πού είναι τοποθετημένοι οι μύες στους στύλους και πόσο από την επιφάνεια του μυ αγγίζει τον στύλο, οι μύες μπορεί να καταφέρουν να τραβήξουν τους στύλους μαζί, αλλά σε άλλες στιγμές μπορεί να ταλαντεύονται με ανεξέλεγκτους τρόπους.
Η ομάδα του Ράμαν προσπάθησε να σχεδιάσει έναν σκελετό που εστιάζει και μεγιστοποιεί τις συσπάσεις ενός μυός ανεξάρτητα από το πού και πώς είναι τοποθετημένος σε έναν σκελετό, για να δημιουργήσει τη μεγαλύτερη κίνηση με προβλέψιμο και αξιόπιστο τρόπο.
«Το ερώτημα είναι: Πώς σχεδιάζουμε έναν σκελετό που χρησιμοποιεί πιο αποτελεσματικά τη δύναμη που παράγει ο μυς;» λέει ο Ραμάν.
Οι ερευνητές αρχικά εξέτασαν τις πολλαπλές κατευθύνσεις που ένας μυς μπορεί να κινηθεί φυσικά. Σκέφτηκαν ότι εάν ένας μυς πρόκειται να τραβήξει δύο στύλους μαζί κατά μήκος μιας συγκεκριμένης κατεύθυνσης, οι στύλοι πρέπει να συνδέονται με ένα ελατήριο που τους επιτρέπει να κινούνται προς αυτή την κατεύθυνση μόνο όταν τραβιέται.
«Χρειαζόμαστε μια συσκευή που να είναι πολύ μαλακή και εύκαμπτη προς μία κατεύθυνση και πολύ άκαμπτη σε όλες τις άλλες κατευθύνσεις, έτσι ώστε όταν ένας μυς συστέλλεται, όλη αυτή η δύναμη να μετατρέπεται αποτελεσματικά σε κίνηση προς μία κατεύθυνση», λέει ο Raman.
Μαλακή κάμψη
Όπως αποδεικνύεται, ο Ραμάν βρήκε πολλές τέτοιες συσκευές στο εργαστήριο του καθηγητή Μάρτιν Κάλπέπερ. Η ομάδα του τελευταίου στο MIT ειδικεύεται στο σχεδιασμό και την κατασκευή στοιχείων μηχανής όπως μικροσκοπικοί ενεργοποιητές, ρουλεμάν και άλλοι μηχανισμοί, που μπορούν να ενσωματωθούν σε μηχανές και συστήματα για να επιτρέψουν την εξαιρετικά ακριβή κίνηση, μέτρηση και έλεγχο, για μια μεγάλη ποικιλία εφαρμογών. Μεταξύ των επεξεργασμένων στοιχείων ακριβείας της ομάδας είναι οι κάμψεις — συσκευές που μοιάζουν με ελατήρια, συχνά κατασκευασμένες από παράλληλες δοκούς, που μπορούν να κάμπτονται και να τεντώνονται με ακρίβεια νανομέτρων.
«Ανάλογα με το πόσο λεπτές και μακριά είναι οι δοκοί, μπορείτε να αλλάξετε πόσο άκαμπτο φαίνεται να είναι το ελατήριο», λέει ο Ράμαν.
Ο ίδιος και ο Κάλπέπερ συνεργάστηκαν για να σχεδιάσουν μια κάμψη ειδικά προσαρμοσμένη με διαμόρφωση και ακαμψία, για να επιτρέψει στον μυϊκό ιστό να συστέλλεται φυσικά και να τεντώνει στο μέγιστο το ελατήριο. Η ομάδα σχεδίασε τη διαμόρφωση και τις διαστάσεις της συσκευής με βάση πολυάριθμους υπολογισμούς που πραγματοποίησαν για να συσχετίσουν τις φυσικές δυνάμεις ενός μυός με την ακαμψία και τον βαθμό κίνησης μιας κάμψης.
Η κάμψη που σχεδίασαν τελικά είναι το 1/100 της ακαμψίας του ίδιου του μυϊκού ιστού. Η συσκευή μοιάζει με μινιατούρα ακορντεόν, οι γωνίες της οποίας είναι καρφιτσωμένες σε μια υποκείμενη βάση με έναν μικρό στύλο, ο οποίος βρίσκεται κοντά σε έναν γειτονικό στύλο που εφαρμόζει απευθείας στη βάση. Ο Raman στη συνέχεια τύλιξε μια ζώνη μυών γύρω από τους δύο γωνιακούς στύλους (η ομάδα έφτιαξε τις ζώνες από ζωντανές μυϊκές ίνες που αναπτύχθηκαν από κύτταρα ποντικιού) και μέτρησε πόσο κοντά τραβήχτηκαν οι στύλοι μεταξύ τους καθώς συσπώνονταν η μυϊκή ζώνη.
Η ομάδα διαπίστωσε ότι η διαμόρφωση της κάμψης επέτρεψε στη μυϊκή ζώνη να συστέλλεται κυρίως κατά μήκος της κατεύθυνσης μεταξύ των δύο στύλων. Αυτή η εστιασμένη σύσπαση επέτρεψε στον μυ να τραβήξει τους στύλους πολύ πιο κοντά - πέντε φορές πιο κοντά - σε σύγκριση με προηγούμενα σχέδια ενεργοποιητών μυών.
"Η κάμψη είναι ένας σκελετός που σχεδιάσαμε ώστε να είναι πολύ μαλακός και εύκαμπτος προς μία κατεύθυνση και πολύ άκαμπτος σε όλες τις άλλες κατευθύνσεις", λέει ο Ραμάν. «Όταν ο μυς συστέλλεται, όλη η δύναμη μετατρέπεται σε κίνηση προς αυτή την κατεύθυνση. Είναι μια τεράστια μεγέθυνση».
Η ομάδα διαπίστωσε ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει τη συσκευή για να μετρήσει με ακρίβεια την απόδοση και την αντοχή των μυών. Όταν μετέβαλλαν τη συχνότητα των μυϊκών συσπάσεων (για παράδειγμα, διεγείροντας τις ζώνες να συστέλλονται μία φορά έναντι τεσσάρων φορών ανά δευτερόλεπτο), παρατήρησαν ότι οι μύες «κουράζονταν» σε υψηλότερες συχνότητες και δεν προκαλούσαν τόση έλξη.
«Βλέποντας πόσο γρήγορα κουράζονται οι μύες μας και πώς μπορούμε να τους ασκήσουμε για να έχουμε αποκρίσεις υψηλής αντοχής — αυτό είναι που μπορούμε να αποκαλύψουμε με αυτήν την πλατφόρμα», λέει ο Ραμάν.
Οι ερευνητές προσαρμόζουν τώρα και συνδυάζουν κάμψεις για να κατασκευάσουν ακριβή και αξιόπιστα ρομπότ, που τροφοδοτούνται από φυσικούς μύες.
«Ένα παράδειγμα ρομπότ που προσπαθούμε να κατασκευάσουμε στο μέλλον είναι ένα χειρουργικό ρομπότ που μπορεί να εκτελέσει ελάχιστα επεμβατικές επεμβάσεις μέσα στο σώμα», λέει ο Ραμάν. «Τεχνικά, οι μύες μπορούν να τροφοδοτήσουν ρομπότ οποιουδήποτε μεγέθους, αλλά είμαστε ιδιαίτερα ενθουσιασμένοι με την κατασκευή μικρών ρομπότ, καθώς εδώ οι βιολογικοί ενεργοποιητές υπερέχουν όσον αφορά τη δύναμη, την αποτελεσματικότητα και την προσαρμοστικότητα».
