Músculos artificiais bioinspirados permitem que membros robóticos empurrem, levantem e chutem

Os futuros robôs poderiam em breve ter muito mais poder muscular. Os engenheiros da Northwestern University desenvolveram um músculo artificial suave, abrindo caminho para robôs sem escala de animais e humanos. Os novos músculos, ou atuadores, fornecem o desempenho e as propriedades mecânicas necessárias para a construção de sistemas musculoesqueléticos robóticos.

Para demonstrar as capacidades do músculo artificial, os engenheiros os implementaram em uma perna humanóide em tamanho real, completa com “ossos” de plástico rígido, “tendões” “tendões” e até um sensor que permite que o robô “sinta” seus movimentos. A perna usou três músculos artificiais – um quadrícepo, isquiotibiais e bezerros – para dobrar as articulações do joelho e tornozelo. Os músculos são compatíveis o suficiente para absorver impactos, mas ainda podem aplicar força e movimento suficientes para chutar um vôlei de um pedestal.

A nova inovação bioinspirada de materiais pode mudar como os robôs andam, correm, interagem com os seres humanos e navegam no mundo ao seu redor.

O estudo foi publicado em 24 de julho na revista Materiais avançados.

“Os robôs são normalmente construídos a partir de materiais e mecanismos rígidos que permitem movimento preciso para tarefas específicas”, disse Ryan Truby, do Northwestern, autor sênior do estudo. “Mas o mundo real está constantemente mudando e incrivelmente complexo. Nosso objetivo é construir corpos robóticos bioinspirados que possam ser flexíveis, adaptáveis e abraçar a incerteza do mundo físico.

“Isso inclui reunir não apenas os músculos artificiais práticos, mas também componentes semelhantes a ossos e tendões ou ligamentos para a robótica. Se pudermos fazer isso, os robôs não se tornarão mais resistentes e adaptáveis. Eles serão capazes de aproveitar a mecânica dos materiais mais suaves para se tornarem mais eficientes”.

Truby é o professor júnior de junho e Donald Brewer de Ciência e Engenharia de Materiais e Engenharia Mecânica na McCormick School of Engineering, onde dirige o Robotic Matter Lab. Taekyoung Kim, um estudioso de pós -doutorado no laboratório de Truby, é o primeiro autor do estudo.

Desafios atuais na replicação muscular

Robôs rígidos, rígidos e desajeitados, a maioria dos robôs atuais têm dificuldade em se adaptar suavemente ao terreno irregular ou executando tarefas complexas e delicadas sem quebrar outros objetos ou se machucar.

“É difícil fazer robôs sem a conformidade física responder ou se adaptar suavemente a mudanças externas e interagir com segurança com os seres humanos”, disse Kim. “Para fazer os futuros robôs se moverem de maneira mais natural e segura em ambientes não estruturados, precisamos projetá-los mais como corpos humanos-com esqueletos duros e atuadores macios e musculares”.

Mais recentemente, os roboticistas começaram a desenvolver atuadores moles com propriedades mecânicas semelhantes a músculos. Mas as abordagens atuais geralmente precisam de equipamentos grandes e pesados para alimentar ou conduzi -los. E, mesmo assim, eles não são duráveis o suficiente e não podem gerar força suficiente para concluir tarefas reais.

“É realmente difícil projetar materiais macios para executar como músculos”, disse Truby. “Mesmo que você possa fazer um material se mover como um músculo artificial, existem muitos outros desafios, como transmitir força suficiente com energia suficiente. Interface-os com recursos rígidos semelhantes a ossos, apresentam ainda mais problemas”.

Fazendo o músculo artificial

Para superar esses desafios, a equipe procurou um atuador desenvolvido anteriormente no laboratório de Truby. No coração do atuador, há uma estrutura cilíndrica impressa em 3D, chamada “Auxética de cisalhamento de mão” (HSA). O HSA possui uma estrutura complexa que permite movimentos e propriedades exclusivos, como estender e expandir quando torcidos.

O movimento de torção necessário para mover o HSA pode ser gerado por um pequeno motor elétrico integrado. Kim desenvolveu um método de HSAs de impressão 3D a partir de uma borracha comum e barata frequentemente usada em caixas de celular.

Em seu novo design, a equipe envolveu o HSA em uma estrutura de fole de origami de borracha que permite ao motor rotativo acionar a extensão e a contração dos atuadores reunidos. Os atuadores agora empurram e puxam com força impressionante, atuando como músculos artificiais. O músculo pode até endurecer dinamicamente quando acionado – assim como um músculo humano.

Cada músculo pesa tanto quanto uma bola de futebol e é um pouco maior que uma lata de refrigerante. Pode se esticar até 30% de seu comprimento, encolher e levantar objetos 17 vezes mais pesado que ele. Talvez o mais crucial para o seu uso em corpos robóticos, o músculo possa ser alimentado por bateria, ignorando a necessidade de equipamentos externos pesados.

Uma perna em escala humana que pode ‘chutar’ e ‘sentir’

Para demonstrar o potencial do mundo real do músculo, Truby, Kim e sua equipe usaram a impressão 3D para construir uma perna robótica do tamanho humano. A equipe construiu os “ossos” da perna a partir de conectores rígidos de plástico e inspiração de tendão da borracha. Os tendões elásticos conectam os músculos quadríceps e isquiotibiais ao osso da haste e ao músculo da panturrilha à estrutura do pé. Os tendões e músculos ajudaram a diminuir os movimentos e absorver choques, semelhantes a um sistema musculoesquelético biológico.

A equipe também acrescentou um sensor flexível e impresso em 3D que permite que a perna “sinta” seu próprio músculo. Projetado como um sanduíche, uma camada condutora de plástico flexível é esmagada entre duas camadas não condutivas. Quando o músculo artificial se move, o sensor também. À medida que se estende, sua resistência elétrica muda, permitindo ao robô sentir quanto seus músculos se estendem ou se contraíram.

A perna resultante é compacta e movida a bateria. Uma única carga de uma bateria portátil forneceu energia suficiente para permitir que a perna dobre o joelho milhares de vezes em uma hora. A obtenção de capacidades semelhantes com outras tecnologias de atuador suave seria difícil se não for impraticável.

“Ao engenharia novos materiais para robótica com o desempenho e as propriedades dos sistemas musculoesqueléticos biológicos, podemos construir robôs para ser mais resilientes e robustos para uso do mundo real”, disse Truby. “Estamos empolgados em ver como esses músculos artificiais podem dirigir novas direções para robôs humanóides e animais”.