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(noticias nanowerk) Nuestros músculos son los actuadores perfectos de la naturaleza: dispositivos que convierten la energía en movimiento. Debido a su tamaño, las fibras musculares son más potentes y precisas que la mayoría de los actuadores sintéticos. El ejercicio puede incluso ayudarlos a recuperarse del daño y volverse más fuertes.
Por estas razones, los ingenieros están explorando formas de impulsar robots con músculos naturales. Han demostrado un puñado de robots «biohíbridos» que utilizan actuadores basados en músculos para impulsar esqueletos artificiales que caminan, nadan, bombean y agarran. Pero hay una construcción muy diferente para cada robot y no hay un plan general sobre cómo aprovechar al máximo un diseño de robot en particular.
Ahora, los ingenieros del MIT han desarrollado un dispositivo con forma de resorte que podría usarse como módulo esquelético básico para casi cualquier robot musculoso. El nuevo resorte o “flexión” está diseñado para sacar la mayor carga posible del tejido muscular adherido. Al igual que una prensa de piernas con el peso adecuado, la máquina maximiza el movimiento que un músculo puede producir de forma natural.
Los investigadores descubrieron que cuando colocaron un anillo de tejido muscular en el dispositivo, similar a una banda elástica estirada alrededor de dos postes, el músculo tiraba de manera confiable y repetida del resorte, estirándolo cinco veces en comparación con otros diseños de dispositivos anteriores.
El equipo ve el diseño Flexure como un nuevo bloque de construcción que se puede combinar con otros Flexures para construir cualquier configuración de esqueletos artificiales. Luego, los ingenieros pueden equipar los esqueletos con tejido muscular para impulsar sus movimientos.
«Estas curvas son como un esqueleto que las personas ahora pueden usar para convertir las acciones musculares en múltiples grados de libertad de movimiento de una manera muy predecible», dice Ritu Raman, profesora británica de desarrollo profesional de diseño de ingeniería Alex d'Arbeloff en el MIT. «Estamos dando a los robóticos un nuevo conjunto de reglas para construir robots potentes y precisos impulsados por músculos que hagan cosas interesantes».
Raman y sus colegas informan los detalles del nuevo diseño de flexión en un artículo que aparece en la revista. Sistemas inteligentes avanzados (“Mejorar y decodificar el rendimiento de los actuadores musculares con curvas”). Los coautores del estudio del MIT incluyen a Naomi Lynch '12, SM '23; la estudiante Tara Sheehan; los estudiantes de posgrado Nicolás Castro, Laura Rosado y Brandon Ríos; y el profesor de Ingeniería Mecánica Martin Culpepper.
tirón muscular
Cuando se deja solo en una placa de Petri en condiciones favorables, el tejido muscular se contrae por sí solo, pero en direcciones que no son del todo predecibles ni de mucha utilidad.
«Cuando el músculo no está adherido a nada, se mueve mucho, pero con mucha variabilidad, por lo que simplemente gira en el líquido», dice Raman.
Para hacer que un músculo funcione como un actuador mecánico, los ingenieros suelen colocar una banda de tejido muscular entre dos clavijas pequeñas y flexibles. A medida que la banda de músculo se contrae de forma natural, puede doblar y contraer los postes, creando un movimiento que idealmente impulsaría parte de un esqueleto robótico. Sin embargo, en estos diseños los músculos sólo han permitido un movimiento limitado, en gran parte porque el tejido es muy variable en la forma en que entra en contacto con los postes. Dependiendo de dónde estén colocados los músculos en los postes y de qué parte de la superficie muscular esté en contacto con los postes, los músculos pueden lograr contraer los postes, pero en otros casos puede provocar movimientos de oscilación incontrolables.
El grupo de Raman quería diseñar un esqueleto que concentrara y maximizara las contracciones de un músculo, independientemente de dónde y cómo estuviera colocado exactamente en el esqueleto, para producir el mayor movimiento posible de una manera predecible y confiable.
«La pregunta es: ¿Cómo diseñamos un esqueleto que utilice de manera más eficiente la fuerza que produce el músculo?», Dice Raman.
Los investigadores observaron primero la variedad de direcciones en las que un músculo puede moverse naturalmente. Razonaron que si se supone que un músculo contrae dos postes en una dirección particular, los postes deberían estar conectados a un resorte que solo les permita moverse en esa dirección cuando se tira.
«Necesitamos un dispositivo que sea muy suave y flexible en una dirección y muy rígido en todas las demás direcciones, de modo que cuando un músculo se contraiga, toda la fuerza se convierta de manera eficiente en movimiento en una dirección», dice Raman.
Flexión suave
Al final resultó que, Raman encontró muchos de estos dispositivos en el laboratorio del profesor Martin Culpepper. El grupo de Culpepper en el MIT se especializa en el diseño y fabricación de elementos de máquinas, como actuadores en miniatura, cojinetes y otros mecanismos que pueden incorporarse a máquinas y sistemas para permitir movimiento, medición y control de alta precisión para una variedad de aplicaciones. Los elementos diseñados con precisión del grupo incluyen flexores, dispositivos similares a resortes, a menudo hechos de vigas paralelas que pueden doblarse y estirarse con precisión nanométrica.
«Dependiendo de qué tan delgadas y separadas estén las barras, puedes cambiar la rigidez que parece el resorte», dice Raman.
Ella y Culpepper se asociaron para desarrollar un dispositivo de flexión personalizado cuya configuración y rigidez permiten que el tejido muscular se contraiga naturalmente y estire el resorte al máximo. El equipo diseñó la configuración y las dimensiones del dispositivo basándose en numerosos cálculos que realizaron para relacionar las fuerzas naturales de un músculo con la rigidez y el grado de movimiento de una curva.
La curva que finalmente diseñaron tiene 1/100 de la rigidez del propio tejido muscular. El dispositivo se asemeja a una pequeña estructura similar a un acordeón, cuyas esquinas están unidas a una base subyacente mediante un pequeño poste que se encuentra cerca de un poste adyacente que Se asienta directamente sobre la base. Luego, Raman envolvió una banda de músculo alrededor de los dos postes de las esquinas (el equipo formó las bandas a partir de fibras musculares vivas que crecieron a partir de células de ratón) y midió qué tan apretados se juntaban los postes a medida que la banda de músculo se contraía.
El equipo descubrió que la configuración de la curva permitía que la banda muscular se contrajera principalmente en la dirección entre los dos postes. Esta contracción dirigida permitió que el músculo acercara mucho más los postes (cinco veces más) en comparación con los diseños de impulso muscular anteriores.
«La curva es un esqueleto que diseñamos para que fuera muy suave y flexible en una dirección y muy rígido en todas las demás», dice Raman. “Cuando el músculo se contrae, toda la fuerza se convierte en movimiento en esa dirección. Es una gran ampliación”.
El equipo descubrió que el dispositivo les permitía medir con precisión el rendimiento y la resistencia muscular. Cuando variaron la frecuencia de las contracciones musculares (por ejemplo, estimulando a los ligamentos a contraerse una vez por segundo en lugar de cuatro veces), observaron que a frecuencias más altas los músculos se «cansaban» y no producían tanta tensión.
«Esta plataforma nos permite descubrir qué tan rápido se fatigan nuestros músculos y cómo podemos entrenarlos para lograr respuestas sostenidas», dice Raman.
Los investigadores ahora están adaptando y combinando elementos de flexión para construir robots precisos, ágiles y fiables impulsados por músculos naturales.
«Un ejemplo de robot que estamos intentando construir en el futuro es un robot quirúrgico que pueda realizar procedimientos mínimamente invasivos en el cuerpo», dice Raman. «Técnicamente, los músculos pueden impulsar robots de cualquier tamaño, pero estamos particularmente entusiasmados con la creación de robots pequeños, donde los actuadores biológicos sobresalgan en fuerza, eficiencia y adaptabilidad».
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