Nuestros músculos son los actuadores perfectos de la naturaleza: dispositivos que convierten la energía en movimiento.Por su tamaño, las fibras musculares son más potentes y precisas que la mayoría de los actuadores sintéticos.Incluso pueden curarse de daños y fortalecerse con el ejercicio.

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 para cada robot, hay una constitución muy diferente y no hay un plan general sobre cómo aprovechar al máximo los músculos para cualquier diseño de robot determinado.

Ahora, los ingenieros del MIT han desarrollado un dispositivo con forma de resorte que podría usarse como un módulo básico con forma de esqueleto para casi cualquier robot musculoso.El nuevo resorte, o "flexión", está diseñado para aprovechar al máximo los tejidos musculares adheridos.Al igual que una prensa de piernas que se ajusta con la cantidad justa de peso, el dispositivo maximiza la cantidad de movimiento que un músculo puede producir de forma natural.

Los investigadores descubrieron que cuando colocaron un anillo de tejido muscular en el dispositivo, muy parecido a ungomaestirado alrededor de dos postes, el músculo tiró del resorte de manera confiable y repetida y lo estiró cinco veces más, en comparación con otros diseños de dispositivos anteriores.

El equipo ve el diseño de flexión como un nuevo bloque de construcción que se puede combinar con otras flexión para construir cualquier configuración de esqueletos artificiales.Luego, los ingenieros pueden equipar los esqueletos con tejidos musculares para potenciar sus movimientos.

"Estas flexiones son como un esqueleto que las personas ahora pueden usar para convertir la actuación muscular en múltiples grados de libertad de movimiento de una manera muy predecible", dice Ritu Raman, profesora británica de desarrollo profesional Alex d'Arbeloff en Diseño de Ingeniería en el MIT."Estamos dando a los robóticos un nuevo conjunto de reglas para crear robots potentes y precisos impulsados ​​por músculos que hagan cosas interesantes".

Raman y sus colegas informan los detalles del nuevo diseño de flexión en unpapelque aparece hoy en la revistaSistemas inteligentes avanzados.Los coautores del estudio del MIT incluyen a Naomi Lynch '12, SM '23;la estudiante de pregrado 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 contraerá por sí solo, pero en direcciones que no son del todo predecibles ni de mucha utilidad.

"Si el músculo no está adherido a nada, se moverá mucho, pero con una enorme variabilidad, donde simplemente se agitará en el líquido", dice Raman.

Los ingenieros suelen colocar una banda de tejido muscular entre dos postes pequeños y flexibles para que un músculo funcione como un actuador mecánico.A medida que la banda muscular se contrae naturalmente, puede doblar los postes y juntarlos, produciendo algún movimiento que idealmente impulsaría parte de un esqueleto robótico.Sin embargo, en estos diseños, los músculos han producido un movimiento limitado, principalmente porque los tejidos son muy variables en la forma en que entran en contacto con los postes.

Dependiendo de dónde están colocados los músculos en los postes y de qué parte de la superficie muscular toca el poste, los músculos pueden lograr juntar los postes pero, en otras ocasiones, pueden tambalearse de manera incontrolable.

El grupo de Raman buscó diseñar un esqueleto que enfocara y maximizara las contracciones de un músculo independientemente de dónde y cómo se colocara exactamente en el esqueleto para generar el mayor movimiento de una manera predecible y confiable.

"La pregunta es: ¿Cómo diseñamos un esqueleto que utilice de manera más eficiente la fuerza que genera el músculo?"dice Ramán.

Los investigadores primero consideraron las múltiples direcciones en las que un músculo puede moverse naturalmente.Razonaron que si un músculo debe juntar dos postes en una dirección específica, los postes deben 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 esa fuerza se convierta eficientemente en movimiento en una dirección", dice Raman.

Flexión suave

Resulta 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 integrarse en máquinas y sistemas para permitir movimientos, mediciones y controles ultraprecisos para una amplia variedad de aplicaciones.

Entre los elementos mecanizados de precisión del grupo se encuentran dispositivos flexibles, similares a resortes, a menudo hechos de vigas paralelas, que pueden flexionarse y estirarse con precisión nanométrica.

"Dependiendo de qué tan delgadas y separadas estén las vigas, se puede cambiar qué tan rígido parece ser el resorte", dice Raman.

Ella y Culpepper se asociaron para diseñar una flexión diseñada específicamente con una configuración y rigidez para permitir que el tejido muscular se contraiga y estire al máximo el resorte de forma natural.El equipo diseñó la configuración y las dimensiones del dispositivo basándose en numerosos cálculos que llevaron a cabo para relacionar las fuerzas naturales de un músculo con la rigidez y el grado de movimiento de una flexión.

La flexión que finalmente diseñaron es 1/100 de la rigidez del propio tejido muscular.El dispositivo se asemeja a una estructura en miniatura similar a un acordeón, cuyas esquinas están fijadas a una base subyacente mediante un pequeño poste, que se encuentra cerca de un poste vecino que encaja directamente en la base.

Luego, Raman envolvió una banda de músculo alrededor de los dos postes de las esquinas (el equipo moldeó las bandas a partir de imágenes en vivo).fibras musculares(que crecieron a partir de células de ratón) y midieron qué tan cerca se juntaban los postes a medida que se contraía la banda muscular.

El equipo descubrió que la configuración de la flexión permitía que la banda muscular se contrajera principalmente en la dirección entre los dos postes.Esta contracción enfocada permitió que el músculo acercara mucho más los postes (cinco veces más) en comparación con diseños de actuadores musculares anteriores.

"La flexión 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 ampliación enorme".

El equipo descubrió que podían utilizar el dispositivo para medir con precisión el rendimiento y la resistencia muscular.Cuando variaron la frecuencia de las contracciones musculares (por ejemplo, estimulando las bandas para que se contrajeran una vez en lugar de cuatro veces por segundo), observaron que los músculos "se cansaban" a frecuencias más altas y no generaban tanta tracción.

"Observar la rapidez con la que se cansan nuestros músculos y cómo podemos ejercitarlos para tener respuestas de alta resistencia... esto es lo que podemos descubrir con esta plataforma", dice Raman.

Los investigadores ahora están adaptando y combinando flexiones para construir robots precisos, articulados y confiables, 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 dentro del cuerpo", dice Raman."Técnicamente, los músculos pueden impulsar robots de cualquier tamaño, pero estamos particularmente entusiasmados con la fabricación de robots pequeños, ya que es aquí donde los actuadores biológicos destacan en términos de fuerza, eficiencia y adaptabilidad".

Más información:Naomi Lynch et al, Mejora y decodificación del rendimiento de actuadores musculares con flexiones,Sistemas inteligentes avanzados(2024).DOI: 10.1002/aisy.202300834

Esta historia se republica por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.