این فنر از ماهیچه‌های طبیعی تقلید می‌کند!

به گزارش مجله خبری نگار،ماهیچه‌های ما عملگر‌های مکانیکی (اکتواتور) کامل طبیعت هستند، چون انرژی را به حرکت تبدیل می‌کنند. فیبر‌های عضلانی با توجه به اندازه خود، قوی‌تر و دقیق‌تر از اکثر عملگر‌های مکانیکی مصنوعی هستند. آن‌ها حتی می‌توانند آسیب را درمان کنند و با ورزش قوی‌تر شوند.

به این دلایل، محققان در حال بررسی راه‌هایی برای نیرو دادن به روبات‌ها با عضلات طبیعی هستند. آن‌ها تعداد انگشت‌شماری از روبات‌های «بیوهیبرید» یا «دوگانه زیستی» را نشان داده‌اند که از محرک‌های عضلانی برای نیرو دادن به اسکلت‌های مصنوعی استفاده می‌کنند که راه می‌روند، شنا می‌کنند، خودشان را باد می‌کنند و اشیاء را می‌گیرند. اما نیرو دادن به روبات‌ها کاملا با هم متفاوت است و هیچ طرح کلی وجود ندارد که نشان دهد روبات‌ها بیشترین بهره را از چه نوع ماهیچه‌ای می‌گیرند.

اکنون، مهندسان MIT یک دستگاه فنر مانند ساخته‌اند که می‌تواند به عنوان یک ماژول اسکلت مانند برای هر روبات عضلانی استفاده شود. فنر جدید یا «فلکسور» به گونه‌ای طراحی شده است که بیشترین کار را از هر بافت عضلانی متصل انجام دهد. مانند یک پرس پا که با وزن مناسب سازگار است و میزان حرکتی را که یک عضله می‌تواند به طور طبیعی ایجاد کند به حداکثر می‌رساند.

محققان دریافتند هنگامی که حلقه‌ای از بافت عضلانی را روی دستگاه قرار می‌دهند، دقیقاً مانند یک نوار لاستیکی که در اطراف ۲ پایه کشیده شده است، عضله به طور قابل اعتماد و مکرر فنر را می‌کشد و در مقایسه با سایر طراحی‌های قبلی دستگاه، آن را پنج برابر بیشتر می‌کشد.

این تیم طراحی خمشی را به عنوان یک بلوک ساختمانی جدید می‌بیند که می‌تواند با سایر فلکسور‌ها ترکیب شود تا هر گونه پیکربندی از اسکلت‌های مصنوعی بسازد. محققان بعد‌ها می‌توانند اسکلت‌ها را با بافت‌های ماهیچه‌ای برای تقویت حرکات‌شان هماهنگ کنند.

محققان می‌گویند: این فلکسور‌ها مانند اسکلتی هستند که مردم اکنون می‌توانند از آن برای تبدیل تحریک عضلات به درجات مختلف آزادی حرکت به روشی بسیار قابل پیش‌بینی استفاده کنند. ما به متخصصان روباتیک مجموعه‌ای از قوانین جدید می‌دهیم تا روبات‌های قدرتمند و دقیقی با قدرت عضله بسازند که کار‌های جالبی انجام دهند.

کشش عضلانی

بافت عضلانی وقتی در یک پتری دیش در شرایط مساعد تنها رها می‌شود، خود به خود منقبض می‌شود، اما در جهت‌هایی که کاملاً قابل پیش‌بینی نیستند یا کاربرد زیادی ندارند. در واقع، اگر ماهیچه به چیزی متصل نباشد، حرکت زیادی می‌کند، اما با تنوع بسیار زیاد، جایی که فقط در مایع می‌چرخد.

برای اینکه یک عضله مانند یک عملگر مکانیکی کار کند، مهندسان معمولاً نواری از بافت عضلانی را بین ۲ بست کوچک و انعطاف‌پذیر متصل می‌کنند. همانطور که نوار عضلانی به طور طبیعی منقبض می‌شود، می‌تواند ستون‌ها را خم کند و بکشد و حرکتی ایجاد کند که در حالت ایده‌آل بخشی از اسکلت روباتیک را نیرو می‌دهد. اما در این طرح‌ها، ماهیچه‌ها حرکت محدودی ایجاد می‌کنند، عمدتاً به این دلیل که بافت‌ها در نحوه تماس‌شان با بست‌ها بسیار متغیر هستند. بسته به اینکه ماهیچه‌ها در کجا قرار می‌گیرند و چه مقدار از سطح عضله با ستون تماس می‌گیرد، ماهیچه‌ها ممکن است موفق شوند ستون‌ها را به هم بچسبانند، اما در مواقع دیگر ممکن است به روش‌های غیرقابل کنترلی تکان بخورند.

گروه تحقیقاتی MIT به دنبال طراحی اسکلتی بودند که انقباضات عضله را بدون توجه به اینکه دقیقا کجا و چگونه روی اسکلت قرار می‌گیرد متمرکز و به حداکثر می‌رساند تا بیشترین حرکت را به روشی قابل پیش‌بینی و قابل اعتماد ایجاد کند.

محققان ابتدا جهات متعددی را که یک عضله می‌تواند به طور طبیعی حرکت کند، در نظر گرفتند و استدلال کردند که اگر قرار است عضله‌ای ۲ پایه را در جهت خاصی به هم بکشد، میله‌ها باید به فنری متصل شوند که فقط در صورت کشیده شدن به آن‌ها اجازه می‌دهد در آن جهت حرکت کنند.

محققان می‌گویند: ما به وسیله‌ای نیاز داریم که در یک جهت بسیار نرم و انعطاف‌پذیر باشد و در همه جهات بسیار سفت باشد، به طوری که وقتی یک عضله منقبض می‌شود، تمام آن نیرو به طور مؤثر در یک جهت به حرکت تبدیل می‌شود.

انعطاف‌پذیری

محققان MIT در طراحی و ساخت عناصر ماشینی مانند محرک‌های مینیاتوری، یاتاقان‌ها و مکانیسم‌های دیگری متخصص هستند که می‌توانند در ماشین‌ها و سیستم‌ها تعبیه شوند تا حرکت، اندازه‌گیری و کنترل فوق‌العاده دقیق را برای طیف گسترده‌ای از کاربرد‌ها فعال کنند. در میان عناصر ماشینکاری دقیق این گروه، خمش‌ها هستند؛ یعنی دستگاه‌های فنر مانند، که اغلب از تیر‌های موازی ساخته می‌شوند و می‌توانند با دقت نانومتری خم شوند و کشیده شوند.

آن‌ها فلکسوری را طراحی کنند که به طور خاص با پیکربندی و سفتی طراحی شده است تا بافت عضلانی را قادر سازد به طور طبیعی منقبض شود و فنر را به حداکثر برساند. این تیم پیکربندی و ابعاد دستگاه را بر اساس محاسبات متعدد طراحی کردند.

فلکسوری که آن‌ها در نهایت طراحی کردند شبیه سازه‌ای مینیاتوری و آکاردئونی مانند است که گوشه‌های آن توسط یک پایه کوچک به یک پایه زیرین چسبانده شده است و در نزدیکی یک پایه همسایه قرار دارد که مستقیماً روی پایه قرار می‌گیرد. سپس یک نوار عضله را دور ۲ ستون گوشه پیچیدند (تیم باند‌ها را از فیبر‌های عضلانی زنده که از سلول‌های موش رشد می‌کردند، ساختند)، و اندازه‌گیری کردند که با انقباض نوار عضلانی چقدر به هم نزدیک می‌شوند.

این تیم متوجه شد که پیکربندی خمش، نوار عضلانی را قادر می‌سازد تا بیشتر در جهت بین ۲ بست منقبض شود. این انقباض متمرکز به عضله اجازه می‌دهد تا بست‌ها را بسیار نزدیک‌تر به هم بکشد - پنج برابر نزدیک‌تر - در مقایسه با طراحی‌های قبلی محرک عضلانی.

محققان می‌گویند: فلکسور اسکلتی است که ما آن را به گونه‌ای طراحی کردیم که در یک جهت بسیار نرم و انعطاف‌پذیر باشد و در همه جهات بسیار سفت باشد. وقتی عضله منقبض می‌شود، تمام نیرو به حرکت در آن جهت تبدیل می‌شود.

محققان دریافتند که می‌توانند از این دستگاه برای اندازه‌گیری دقیق عملکرد و استقامت عضلات استفاده کنند. هنگامی که آن‌ها فرکانس انقباضات عضلانی را تغییر دادند (به عنوان مثال، تحریک نوار‌ها برای انقباض یک بار در مقابل چهار بار در ثانیه)، مشاهده کردند که عضلات در فرکانس‌های بالاتر «خسته می‌شوند» و کشش زیادی ایجاد نمی‌کنند.

آن‌ها می‌گویند: به سرعت خسته شدن ماهیچه‌هایمان و اینکه چگونه می‌توانیم آن‌ها را تمرین کنیم تا پاسخ‌های استقامتی بالایی داشته باشیم، چیزی است که می‌توانیم با این پلتفرم کشف کنیم.

محققان اکنون در حال تطبیق و ترکیب فلکسور‌ها برای ساخت روبات‌های دقیق، مفصل و قابل اعتماد هستند که با عضلات طبیعی کار می‌کنند.

آن‌ها می‌گویند: نمونه‌ای از روباتی که ما در تلاش برای ساختن آن در آینده هستیم، یک روبات جراحی است که می‌تواند روش‌های کم تهاجمی را در داخل بدن انجام دهد. از نظر فنی، ماهیچه‌ها می‌توانند روبات‌هایی با هر اندازه‌ای را تامین کنند، اما به‌ویژه در ساخت روبات‌های کوچک هیجان‌زده هستیم، زیرا این جایی است که محرک‌های بیولوژیکی از نظر قدرت، کارایی و سازگاری برتر هستند.