Gli ingegneri progettano “scheletri” morbidi e flessibili per robot dotati di muscoli

Per questi motivi, gli ingegneri stanno esplorando modi per potenziare i robot con muscoli naturali. Hanno dimostrato una manciata di robot “bioibridi” che utilizzano attuatori basati sui muscoli per alimentare scheletri artificiali che camminano, nuotano, pompano e si afferrano. Ma per ogni robot esiste una struttura molto diversa e non esiste un progetto generale su come ottenere il massimo dai muscoli per un determinato progetto di robot.

Ora, gli ingegneri del MIT hanno sviluppato un dispositivo a molla che potrebbe essere utilizzato come modulo di base simile a uno scheletro per quasi tutti i robot muscolosi. La nuova molla, o “flessione”, è progettata per ottenere il massimo lavoro da qualsiasi tessuto muscolare attaccato. Come una pressa per gambe adatta alla giusta quantità di peso, il dispositivo massimizza la quantità di movimento che un muscolo può produrre naturalmente.

I ricercatori hanno scoperto che quando hanno inserito un anello di tessuto muscolare sul dispositivo, proprio come un elastico teso attorno a due montanti, il muscolo ha tirato la molla, in modo affidabile e ripetuto, e l’ha allungata cinque volte di più, rispetto ad altri dispositivi precedenti. .

Il team vede il progetto della flessione come un nuovo elemento costitutivo che può essere combinato con altri flessioni per costruire qualsiasi configurazione di scheletri artificiali. Gli ingegneri possono quindi dotare gli scheletri di tessuti muscolari per potenziarne i movimenti.

“Queste flessioni sono come uno scheletro che le persone possono ora utilizzare per trasformare l’attuazione muscolare in più gradi di libertà di movimento in un modo molto prevedibile”, afferma Ritu Raman, professore di sviluppo professionale britannico e Alex d’Arbeloff in Engineering Design al MIT. “Stiamo dando agli esperti di robotica una nuova serie di regole per creare robot potenti e precisi dotati di muscoli che facciano cose interessanti.”

Raman e i suoi colleghi riportano i dettagli del nuovo progetto di flessione in un articolo apparso sulla rivista Sistemi intelligenti avanzati. I coautori del MIT dello studio includono Naomi Lynch ’12, SM ’23; la studentessa Tara Sheehan; gli studenti laureati Nicolas Castro, Laura Rosado e Brandon Rios; e professore di ingegneria meccanica Martin Culpepper.

Tirata muscolare

Se lasciato solo in una capsula di Petri in condizioni favorevoli, il tessuto muscolare si contrarrà da solo ma in direzioni che non sono del tutto prevedibili o di grande utilità.

“Se il muscolo non è attaccato a nulla, si muoverà molto, ma con un’enorme variabilità, dove si dibatte semplicemente nel liquido”, dice Raman.

Per far funzionare un muscolo come un attuatore meccanico, gli ingegneri in genere attaccano una fascia di tessuto muscolare tra due piccoli perni flessibili. Quando la fascia muscolare si contrae naturalmente, può piegare i montanti e unirli, producendo un movimento che idealmente alimenterebbe parte di uno scheletro robotico. Ma in questi progetti, i muscoli hanno prodotto un movimento limitato, principalmente perché i tessuti sono molto variabili nel modo in cui entrano in contatto con i pali. A seconda di dove sono posizionati i muscoli sui pali e di quanta parte della superficie muscolare tocca il palo, i muscoli possono riuscire a tenere insieme i pali ma altre volte possono oscillare in modo incontrollabile.

Il gruppo di Raman ha cercato di progettare uno scheletro che concentri e massimizzi le contrazioni di un muscolo indipendentemente da dove e come sia posizionato esattamente sullo scheletro, per generare la massima quantità di movimento in modo prevedibile e affidabile.

“La domanda è: come possiamo progettare uno scheletro che utilizzi nel modo più efficiente la forza generata dal muscolo?” Raman dice.

I ricercatori hanno innanzitutto considerato le molteplici direzioni in cui un muscolo può muoversi naturalmente. Hanno pensato che se un muscolo deve tirare insieme due pali lungo una direzione specifica, i pali dovrebbero essere collegati a una molla che consenta loro di muoversi in quella direzione solo quando vengono tirati.

“Abbiamo bisogno di un dispositivo che sia molto morbido e flessibile in una direzione e molto rigido in tutte le altre direzioni, in modo che quando un muscolo si contrae, tutta quella forza venga convertita in modo efficiente in movimento in una direzione”, afferma Raman.

Flessibilità morbida

A quanto pare, Raman ha trovato molti di questi dispositivi nel laboratorio del professor Martin Culpepper. Il gruppo di Culpepper al MIT è specializzato nella progettazione e fabbricazione di elementi di macchine come attuatori miniaturizzati, cuscinetti e altri meccanismi, che possono essere integrati in macchine e sistemi per consentire movimento, misurazione e controllo ultraprecisi, per un’ampia varietà di applicazioni. Tra gli elementi lavorati di precisione del gruppo ci sono i flexures, dispositivi a molla, spesso costituiti da travi parallele, che possono flettersi e allungarsi con precisione nanometrica.

“A seconda di quanto sottili e distanti sono le travi, è possibile modificare la rigidità della molla”, afferma Raman.

Lei e Culpepper hanno collaborato per progettare una flessione appositamente su misura con una configurazione e rigidità per consentire al tessuto muscolare di contrarsi naturalmente e allungare al massimo la molla. Il team ha progettato la configurazione e le dimensioni del dispositivo sulla base di numerosi calcoli effettuati per mettere in relazione le forze naturali di un muscolo con la rigidità di una flessione e il grado di movimento.

La flessione che hanno infine progettato è 1/100 della rigidità del tessuto muscolare stesso. Il dispositivo assomiglia ad una struttura in miniatura, a forma di fisarmonica, i cui angoli sono fissati ad una base sottostante da un piccolo palo, che si trova vicino a un palo vicino che è montato direttamente sulla base. Raman ha quindi avvolto una fascia di muscolo attorno ai due montanti d’angolo (il team ha modellato le fasce da fibre muscolari vive che sono cresciute da cellule di topo) e ha misurato quanto i montanti venivano avvicinati mentre la fascia muscolare si contraeva.

Il team ha scoperto che la configurazione della flessione permetteva alla fascia muscolare di contrarsi principalmente lungo la direzione tra i due montanti. Questa contrazione mirata ha permesso al muscolo di avvicinare i pali molto più vicini – cinque volte più vicini – rispetto ai precedenti modelli di attuatori muscolari.

“La flessione è uno scheletro che abbiamo progettato per essere molto morbido e flessibile in una direzione e molto rigido in tutte le altre direzioni”, afferma Raman. “Quando il muscolo si contrae, tutta la forza viene convertita in movimento in quella direzione. È un ingrandimento enorme.”

Il team ha scoperto di poter utilizzare il dispositivo per misurare con precisione le prestazioni e la resistenza muscolare. Quando hanno variato la frequenza delle contrazioni muscolari (ad esempio, stimolando le fasce a contrarsi una volta invece di quattro volte al secondo), hanno osservato che i muscoli “si stancavano” a frequenze più alte e non generavano tanta trazione.

“Osservando quanto velocemente i nostri muscoli si stancano e come possiamo esercitarli per ottenere risposte ad alta resistenza, questo è ciò che possiamo scoprire con questa piattaforma”, afferma Raman.

I ricercatori stanno ora adattando e combinando le flessioni per costruire robot precisi, articolati e affidabili, alimentati da muscoli naturali.

“Un esempio di robot che stiamo cercando di costruire in futuro è un robot chirurgico in grado di eseguire procedure minimamente invasive all’interno del corpo”, afferma Raman. “Tecnicamente, i muscoli possono alimentare robot di qualsiasi dimensione, ma siamo particolarmente entusiasti di realizzare robot di piccole dimensioni, poiché è qui che gli attuatori biologici eccellono in termini di forza, efficienza e adattabilità.”