Искусственные сухожилия придают роботам с мускульным приводом дополнительную силу

Наши мышцы – это природные приводы. Именно сухожильная ткань генерирует силы, приводящие наши тела в движение. В последние годы инженеры используют настоящую мышечную ткань для приведения в действие «биогибридных роботов», созданных как из живой ткани, так и из синтетических компонентов. Сочетая выращенные в лаборатории мышцы с синтетическими скелетами, исследователи создают целый ряд гусеничных, шагающих, пловцов и захватных устройств, приводимых в движение мускулами.

Однако в большинстве случаев эти конструкции ограничены в объёме движений и мощности. Теперь инженеры Массачусетского технологического института стремятся наделить биоботов способностью поднимать грузы с помощью искусственных сухожилий.

В исследовании, опубликованном в журнале Advanced Science, учёные разработали искусственные сухожилия из прочного и гибкого гидрогеля. Они прикрепили эти похожие на резинку сухожилия к концам небольшого фрагмента выращенной в лаборатории мышцы, образовав «мышечно-сухожильный блок». Затем они соединили концы каждого искусственного сухожилия с пальцами роботизированного захвата.

При стимуляции центральной мышцы сухожилия стягивали пальцы захвата. Робот сжимал пальцы в три раза быстрее и с 30-кратным увеличением силы по сравнению с той же конструкцией без соединительных сухожилий.

Исследователи предполагают, что новый мышечно-сухожильный блок может быть адаптирован к широкому спектру конструкций биогибридных роботов, подобно универсальному инженерному элементу.

«Мы используем искусственные сухожилия в качестве сменных соединителей между мышечными приводами и роботизированными скелетами», — говорит ведущий автор Риту Раман, доцент кафедры машиностроения Массачусетского технологического института. «Такая модульность может упростить разработку широкого спектра робототехнических приложений — от микрохирургических инструментов до адаптивных автономных исследовательских машин».

Соавторами исследования из Массачусетского технологического института являются аспиранты Николас Кастро, Махира Бава, Бастьен Аймон, Соника Кохли и Энджел Бу; студентка Анника Маршнер; постдок Рональд Хайссер; выпускницы Сара Дж. Ву (выпуск 2019 г., магистр наук (выпуск 2021 г.), доктор философии (выпуск 2024 г.) и Лора Росадо (выпуск 2022 г., магистр наук (выпуск 2025 г.); а также профессора мехатроники Мартин Калпеппер и Сюаньхэ Чжао.

Рост мышц

Раман и её коллеги из Массачусетского технологического института находятся на переднем крае биогибридной робототехники , относительно нового направления, возникшего в последнее десятилетие. Они специализируются на сочетании синтетических структурных роботизированных деталей с живой мышечной тканью в качестве естественных актуаторов.

«Большинство приводов, с которыми обычно работают инженеры, очень сложно сделать маленькими», — говорит Раман. «После определённого размера базовые физические законы перестают работать. Преимущество мышц в том, что каждая клетка — это независимый привод, который генерирует силу и обеспечивает движение. Так что, в принципе, можно создавать роботов действительно маленького размера».

Мышечные приводы обладают и другими преимуществами, которые команда Рамана уже продемонстрировала: ткань может укрепляться по мере тренировки и естественным образом восстанавливаться при травмах. По этим причинам Раман и другие предполагают, что мускулистых дроидов когда-нибудь можно будет отправлять исследовать места, слишком удалённые или опасные для человека. Такие мускулистые роботы смогут накапливать силы для непредвиденных перемещений или самовосстанавливаться, когда помощь недоступна. Биогибридные боты также могут служить небольшими ассистентами хирургов, выполняющими тонкие микропроцедуры внутри тела.

Все эти сценарии будущего побуждают Рамана и других искать способы соединения живых мышц с синтетическими скелетами. Существующие на сегодняшний день разработки предполагают выращивание мышечной полосы и прикрепление одного из её концов к синтетическому скелету, подобно тому, как мы наматываем резинку на два столбика. Когда мышца сокращается, она может стягивать части скелета вместе, создавая желаемое движение.

Но, по словам Рамана, этот метод приводит к значительному истощению мышечной массы, которая используется для прикрепления ткани к скелету, а не для его движения. И это соединение не всегда надёжно. Мышцы довольно мягкие по сравнению со скелетными структурами, и эта разница может привести к их разрыву или отслоению. Более того, зачастую работа выполняется только за счёт сокращений центральной части мышцы — объём которых относительно невелик и создаёт небольшое усилие.

«Мы думали, как перестать тратить мышечный материал, сделать его более модульным, чтобы он мог прикрепляться к чему угодно, и работать эффективнее?» — говорит Раман. «Организм придумал решение, которое заключается в создании сухожилий, которые по жёсткости находятся на среднем уровне между мышцами и костями, что позволяет преодолеть это механическое несоответствие между мягкими мышцами и жёстким скелетом. Они подобны тонким тросам, которые эффективно обвивают суставы».

«Умное подключение»

В своей новой работе Раман и её коллеги разработали искусственные сухожилия для соединения натуральной мышечной ткани с синтетическим скелетом захвата. В качестве материала они выбрали гидрогель — мягкий, но прочный полимерный гель. Раман получила образцы гидрогеля от своего коллеги и соавтора Сюаньхэ Чжао, пионера в разработке гидрогелей в Массачусетском технологическом институте. Группа Чжао разработала рецепты гидрогелей различной прочности и эластичности, способных прилипать к различным поверхностям, включая синтетические и биологические материалы.

Чтобы определить, насколько прочными и эластичными должны быть искусственные сухожилия для работы в конструкции захвата, команда Рамана сначала смоделировала конструкцию как простую систему из трёх типов пружин, каждая из которых представляет центральную мышцу, два соединительных сухожилия и скелет захвата. Они задали мышце и скелету определённую жёсткость, которая была известна ранее, и использовали её для расчёта жёсткости соединительных сухожилий, необходимой для перемещения захвата на желаемую величину.

На основе этого моделирования команда разработала рецепт гидрогеля определённой жёсткости. После получения геля исследователи аккуратно вытравили из него тонкие кабели, чтобы сформировать искусственные сухожилия. Они прикрепили два сухожилия к каждому концу небольшого образца мышечной ткани , выращенной с использованием стандартных лабораторных методов. Затем они обернули каждое сухожилие вокруг небольшого штифта на конце каждого пальца роботизированного захвата – каркасной конструкции, разработанной профессором механики Мартином Калпеппером, экспертом в области проектирования и создания прецизионных машин.

Когда учёные стимулировали сокращение мышцы, сухожилия, в свою очередь, натягивали захват, сводя пальцы. В ходе многочисленных экспериментов исследователи обнаружили, что мышечно-сухожильный захват работал в три раза быстрее и создавал в 30 раз больше силы по сравнению с захватом, приводимым в действие только полосой мышечной ткани (без искусственных сухожилий). Новая конструкция на основе сухожилий также смогла поддерживать эту эффективность на протяжении 7000 циклов, или мышечных сокращений.

В целом Раман увидел, что добавление искусственных сухожилий увеличило соотношение мощности к весу робота в 11 раз, а это значит, что системе требуется гораздо меньше мышц для выполнения того же объёма работы.

«Нужен всего лишь небольшой привод, искусно соединённый со скелетом», — говорит Раман. «Обычно, если мышца очень мягкая и прикреплена к чему-то с высоким сопротивлением, она просто порвётся, прежде чем что-либо сдвинуть. Но если прикрепить её к чему-то, например, к сухожилию, устойчивому к разрыву, она сможет передавать усилие через сухожилие и двигать скелет, который иначе не смогла бы сдвинуть».

По словам биомедицинского инженера Симоны Шюрле-Финке, доцента кафедры медицинских наук и технологий в Швейцарской высшей технической школе Цюриха, новая конструкция мышц и сухожилий, разработанная группой учёных, успешно объединяет биологию и робототехнику.

«Жёсткие гидрогелевые сухожилия создают более физиологичную архитектуру мышц, сухожилий и костей, что значительно улучшает передачу усилия , долговечность и модульность», — говорит Шюрле-Финке, не принимавший участия в исследовании. «Это продвигает область исследований в сторону биогибридных систем, способных функционировать воспроизводимо и в конечном итоге вне лабораторных условий».

После установки новых искусственных сухожилий группа Рамана переходит к разработке других элементов, таких как защитные оболочки, подобные коже, которые позволят использовать роботов с мускульным приводом в реальных условиях.

Мастер пера, обрабатывает новостную ленту.