Bộ truyền động dựa trên cơ bắp có thể tối đa hóa tiềm năng của các giải pháp robot

Một nhóm kỹ sư sáng tạo từ MIT vừa tạo ra các bộ truyền động dựa trên cơ bắp có thể cách mạng hóa ngành chế tạo robot. Những bộ óc sáng tạo đã kết hợp bộ truyền động đơn hướng được thiết kế đặc biệt với các tế bào cơ được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm. Cấu trúc này giúp thiết bị nhẹ hơn và nâng cao hiệu suất. Đây là cách bộ truyền động dựa trên cơ bắp mới này có thể giúp cung cấp năng lượng cho robot trong tương lai.

Thiết bị truyền động dựa trên cơ bắp Bio Flexures

A giấy được công bố trên tạp chí Hệ thống thông minh nâng cao giải thích cách một loại uốn cong sinh học mới có thể mang lại kết quả đáng tin cậy và có thể lặp lại, hiệu quả hơn nhiều lần so với nỗ lực trước đó. Để hoàn thành nhiệm vụ này, nhóm cần phải phát minh lại khái niệm về độ uốn.

uốn cong

Các phần uốn là các phần tử cơ học tuân thủ có thể hoạt động như bộ truyền động. Thiết bị truyền động là một thiết bị có thể chuyển đổi một số dạng năng lượng thành phản ứng có thể kiểm soát được. Chúng được tìm thấy trong hầu hết các robot ở một số dạng và việc cải tiến các thiết bị này sẽ có tác dụng ngay lập tức. Một số thiết bị truyền động chuyển đổi nhiệt, áp suất, điện và năng lượng từ tính.

Cơ cấu uốn là thiết bị giống như lò xo tận dụng cấu trúc cứng để hoạt động như bộ truyền động. Chúng phổ biến trong robot vì chúng có thể được điều chỉnh để cung cấp các chuyển động chính xác đến vi mô. Những bộ truyền động này nhỏ và nhẹ khiến chúng trở nên lý tưởng cho những nhiệm vụ này.

Uốn sinh học

Các kỹ sư của MIT đã sử dụng sự kết hợp của các vật liệu và thiết kế mới để mang lại hiệu suất tốt hơn cho sản phẩm của họ. Ví dụ. họ đã tạo ra một thiết kế uốn cong mỏng hơn hoạt động giống như một bộ xương. Phần uốn có một chốt được kết nối với lớp đế ở mỗi góc. Ngoài ra còn có các chân nối đất, cam, di động và gắn kết.

Một số hình chữ nhật lồng vào nhau được thiết kế để tạo lực căng cơ chính xác khi cần thiết. Sau đó, các kỹ sư buộc các dải cơ đặc biệt để tạo ra các cơn co thắt chính xác. Nhóm này sau đó đã chạy một loạt thử nghiệm và thu thập dữ liệu. Đáng chú ý, kết quả thật đáng kinh ngạc khi thiết bị cải thiện mọi yêu cầu. Ngoài ra, dữ liệu có thể giúp tạo ra các tiêu chuẩn sản xuất đầu tiên trong ngành công nghiệp robot mềm.

Kiểm tra

Báo cáo trình bày chi tiết cách các nhà nghiên cứu tạo ra một phương pháp điều chỉnh động lực co cơ mới để nâng cao hiệu suất của bộ truyền động lai sinh học của họ. Cuộc thử nghiệm bắt đầu bằng việc đo khoảng cách giữa các trụ. Từ đây, phần uốn được kéo căng và phản hồi năm lần.

Thử nghiệm không phụ thuộc vào tần số này cho phép các nhà nghiên cứu xác định chính xác khi nào tình trạng mỏi cơ ảnh hưởng đến hiệu suất. Sự điều chỉnh này cũng cho phép họ đạt được độ bền tối đa từ những sáng tạo của mình và kiểm tra áp lực khả năng của họ. Cuộc thử nghiệm khốc liệt hơn đã cho thấy kết quả thú vị. Ví dụ, nó tiết lộ rằng khoảng thời gian cao hơn sẽ đốt cháy các sợi cơ nhanh hơn.

Điều chỉnh

Các kỹ sư đã thay đổi lực uốn bằng cách thay đổi độ mỏng hoặc khoảng cách giữa các dầm kết nối với đế với nhau. Cách bố trí được thiết kế để tối ưu hóa chuyển động tự nhiên của cơ và kết hợp nó với độ cứng và mức độ chuyển động của cơ. Đáng chú ý, máy uốn lai sinh học mới là loại mạnh nhất và chính xác nhất cho đến nay.

Nó có thể uốn cong và co giãn với độ chính xác nanomet, lý tưởng cho chế tạo robot vi mô. Ngoài ra, công suất hành trình tăng lên mang lại hiệu suất và độ tin cậy cao hơn. Những yếu tố này đã giúp nhóm nghiên cứu có thêm sự quan tâm đến phát hiện của họ.

Mô cơ xương

Nhóm MIT đã nghiên cứu các loại cơ khác nhau trước khi quyết định lựa chọn cuối cùng. Mô cơ của chuột được chọn do tính sẵn có, giá cả phải chăng và khả năng phát triển trong phòng thí nghiệm. Theo các nhà nghiên cứu, sợi cơ thu được là đáng tin cậy và giúp thúc đẩy dự án hướng tới thành công.

Sợi cơ và bộ truyền động tổng hợp

Các sợi cơ có khả năng chuyển đổi năng lượng cơ và điện thành các hoạt động có thể kiểm soát được. Vì vậy, việc các kỹ sư chế tạo robot tìm cách nhân đôi những lợi ích này là điều hợp lý. So với các bộ truyền động truyền thống, bộ truyền động lai sinh học cho phép chuyển động cực kỳ chính xác. Chúng mang đến sự kết hợp giữa sức mạnh, hiệu quả và khả năng thích ứng khiến chúng tiếp tục trở thành chủ đề thảo luận.

Ngoài ra, các thiết bị này sử dụng ít năng lượng hơn để hoạt động, cung cấp khả năng theo dõi nhiều hơn và có thể nhỏ hơn nhiều. Các yếu tố chính quyết định chất lượng của bộ truyền động là khả năng cung cấp kết quả đáng tin cậy, độ bền, độ chính xác và khả năng chịu lực. Thiết bị truyền động sợi cơ tiếp tục hứa hẹn là giải pháp lý tưởng cho thị trường.

Robot lai sinh học

Ý tưởng về robot sử dụng vật liệu hữu cơ có vẻ như bước ra từ một bộ phim kinh dị khoa học viễn tưởng. Tuy nhiên, robot lai sinh học đã tồn tại hơn một thập kỷ. Những máy này kết hợp các khía cạnh tự nhiên, chẳng hạn như sợi cơ, với chức năng của robot để tạo ra kết quả ấn tượng.

Đã có những robot sử dụng bộ truyền động dựa trên cơ bắp để thực hiện các nhiệm vụ phức tạp của con người như bơi lội hoặc khiêu vũ. Những cái này "rô bốt mềm” tận dụng bộ xương nhân tạo để có cấu trúc và sự ổn định. Cách tiếp cận này cho phép các kỹ sư tạo ra những chuyển động rõ ràng và chính xác hơn, có thể phù hợp với sự tinh tế của bàn tay con người.

Các loại robot lai sinh học

Ngày nay có rất nhiều loại robot lai sinh học khác nhau được sử dụng. Những thiết bị này cũng đa dạng như thế giới xung quanh bạn. Tuy nhiên, ba loại chính là vi sinh vật, mô và xương.

• Robot vi sinh được tích hợp hoặc tận dụng các thành phần của tế bào để hoàn thành nhiệm vụ. Chúng cực kỳ nhỏ, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các nhiệm vụ đòi hỏi độ chính xác đặc biệt. Do đó, những robot nhỏ bé này một ngày nào đó có thể giúp bạn chữa lành hoặc tiến hành quét sức khỏe không khí bạn hít thở.
• Robot dựa trên mô tận dụng các sợi cơ và các mô khác được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm. Những thiết bị này có thể là yếu tố thay đổi cuộc chơi trong lĩnh vực chân tay giả. Hãy tưởng tượng một robot giúp người mù nhìn thấy hoặc người cụt đi lại được. Ngoài ra, việc kết hợp mô sinh học với robot giúp giảm chi phí cho các nhiệm vụ lặp đi lặp lại nhỏ và cho phép máy tự phục hồi.
• Robot dựa trên bộ xương sử dụng cấu trúc bộ xương dựa trên sinh học khiến chúng trở nên lý tưởng để nhân đôi các chuyển động tự nhiên nhất định. Đi bộ, nhảy và khiêu vũ đều là những ví dụ về chuyển động tự nhiên mà robot dựa trên bộ xương tiếp tục thành thạo.

Những thách thức mà robot mềm phải đối mặt

Một trong những vấn đề chính mà các kỹ sư robot mềm phải đối mặt là thiếu hoàn toàn các công cụ thiết kế và mô hình hóa thống nhất. Sự thiếu tiêu chuẩn hóa này đã khiến ngành này gặp khó khăn về mọi mặt, mất rất nhiều nỗ lực khi lặp lại các nhiệm vụ tương tự. Ngoài ra, bản chất không thể đoán trước của các yếu tố sinh học còn tạo thêm một biến số khác mà các kỹ sư phải đối mặt.

Vấn đề trùng lặp

Không giống như các bộ phận được gia công có thể được đảm bảo giống nhau mọi lúc, các tế bào cơ được nuôi trong phòng thí nghiệm có thể hoạt động khác nhau. Ví dụ, bạn biết cơ sẽ co lại nếu bị kéo căng, nhưng để đạt được kết quả như nhau mọi lần mà không bị thất bại chính là chìa khóa.

Vì vậy, việc tạo ra các thành phần sinh học có cùng hiệu suất là rất phức tạp. Điều thú vị là những tiến bộ trong in mô 3D có thể mở ra cơ hội giải quyết vấn đề này trong tương lai.

Tiêu chuẩn

Thành công của liên doanh này có thể giúp thiết lập một số tiêu chuẩn phổ quát trong lĩnh vực robot lai sinh học. Hiện tại, có nhiều dự án khác nhau, sử dụng các thiết lập khác nhau để đạt được cùng một mục tiêu. Cải tiến mới nhất được thiết kế để trở thành một thiết bị truyền động cơ-sinh học phổ quát.

Cách tiếp cận này cho phép các kỹ sư robot sử dụng các thiết bị này bất cứ khi nào cần thiết và giảm thời gian phát triển. Ngoài ra, những thiết bị cố định này có thể kết hợp với các tùy chọn khác để hỗ trợ bất kỳ loại cấu trúc khung xương robot nào. Mô hình này cho phép các kỹ sư tạo ra các giống sinh học phức tạp có thể được điều chỉnh để phục vụ các vai trò cụ thể.

Kỹ sư MIT

Nhóm kỹ sư đằng sau nỗ lực thuận lợi này bao gồm Ritu Raman, Alex d'Arbeloff, Naomi Lynch, Tara Sheehan, Nicolas Castro, Laura Rosado, Brandon Rios và giáo sư kỹ thuật cơ khí Martin Culpepper. Đáng chú ý, Culpepper được biết đến với những dự án nghiên cứu cơ chế robot thu nhỏ.

Chính kinh nghiệm này và sự khéo léo của họ đã cho phép nhóm thử nghiệm nhiều loại thiết bị truyền động khác nhau trước khi đưa ra quyết định cuối cùng. Họ phát hiện ra rằng thiết bị cố định kiểu đàn accordion cho phép các mô cơ co lại một cách tự nhiên đồng thời tăng cường lực của lò xo.

Ưu điểm của công nghệ Biohybrid

Có rất nhiều lý do khiến các kỹ sư tìm cách kết hợp sinh học và robot. Việc sáp nhập này có thể mang lại tiềm năng vô tận cho thị trường. Hãy tưởng tượng những robot trở nên mạnh mẽ hơn khi chúng làm việc hoặc có thể chữa lành và thích nghi khi cần thiết.

Nhận thức giác quan

Robot sinh học tích hợp sinh học ở cấp độ tế bào, nghĩa là những thiết bị này có thể khai thác vật liệu hữu cơ. Thiên nhiên có rất nhiều cơ quan cảm giác tuyệt vời có thể phát hiện mọi thứ từ phương hướng đến xung điện. Các kỹ sư muốn khai thác những cảm biến tự nhiên này để mở rộng khả năng của robot.

Giao diện não

Một lĩnh vực trọng tâm khác của các kỹ sư lai sinh học là cải thiện cách con người tương tác với máy móc. Ví dụ, Elon Musk đã dành nguồn tài trợ đáng kể cho giao diện liên kết thần kinh, kết nối với mạng lưới thần kinh của não và diễn giải các lệnh trực tiếp từ suy nghĩ.

Chân tay giả thế hệ tiếp theo

Nhiều người coi chăm sóc sức khỏe là lĩnh vực được hưởng lợi nhiều nhất từ ​​việc tích hợp robot mềm. Hãy nghĩ về một bộ phận giả được làm từ mô cơ thật, một bộ phận mà người đó có thể sử dụng để cải thiện và điều đó sẽ tái tạo những cảm giác mà họ sẽ liên kết với chi.

Tính bền vững

Một trong những lợi thế lớn nhất của công nghệ biohybrid là khả năng tạo ra robot hòa hợp hoàn hảo với môi trường của chúng. Những thiết bị này một ngày nào đó có thể giám sát môi trường và thậm chí giúp sửa chữa nó. Ví dụ, hãy nghĩ đến các cảm biến có thể theo dõi và giảm mức độ ô nhiễm.

Các trường hợp sử dụng trong tương lai của bộ truyền động dựa trên cơ bắp

Có nhiều trường hợp sử dụng trong tương lai cho kiểu thiết bị truyền động dựa trên cơ này. Những giải pháp nhẹ này có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho thế hệ robot vi mô mới. Lý thuyết đã được chứng minh là nâng cao hiệu quả. Do đó, từ hệ thống điện tử hàng không đến chăm sóc sức khỏe đều thu hút rất nhiều sự chú ý vào hành động của nhóm.

Robot nhẹ hơn, nhỏ hơn và chính xác hơn

Giảm mức tiêu thụ điện năng và trọng lượng có ý nghĩa. Bạn nhận được nhiều tuổi thọ và sức mạnh hơn từ thiết bị của mình. Do đó, ngày càng nhiều kỹ sư tìm kiếm các giải pháp tiết kiệm năng lượng có thể dễ dàng điều chỉnh để phù hợp với nhiều tình huống khác nhau. Thiết bị truyền động lai sinh học kết hợp liền mạch giữa sinh học và robot để cải thiện cuộc sống, hiệu quả và khả năng. Vì những lý do này, dự án đáng được theo dõi trong tương lai.

Bạn có thể tìm hiểu thêm về những phát triển thú vị trong lĩnh vực robot đây.