Νέα «τεχνητά μυϊκά κύτταρα» δίνουν υπερδύναμη στα ανθρωποειδή ρομπότ

Ένα νέο τεχνητό μυϊκό υλικό, που μπορεί να ανυψώσει περίπου 4.000 φορές το ίδιο του το βάρος, φέρνει την εποχή των ρομπότ με ανθρώπινη ευκινησία και δύναμη ένα βήμα πιο κοντά στην πραγματικότητα.

Για δεκαετίες, οι επιστήμονες προσπαθούν να μιμηθούν τη φυσική ευελιξία και ισχύ των ανθρώπινων μυών μέσα από τεχνητές δομές. Το μεγάλο εμπόδιο ήταν ότι οι περισσότερες τεχνητές μυϊκές ίνες μπορούσαν να είναι είτε πολύ ελαστικές και αδύναμες, είτε πολύ ισχυρές αλλά άκαμπτες. Η ομάδα του καθηγητή Hoon Eui Jeong φαίνεται πως βρήκε τη χρυσή τομή.

Ο Jeong εξηγεί ότι το νέο υλικό «ξεπερνά έναν θεμελιώδη περιορισμό: μέχρι σήμερα, οι τεχνητοί μύες ήταν είτε πολύ εύκαμπτοι αλλά αδύναμοι, είτε ισχυροί αλλά δύσκαμπτοι». Η καινοτομία του UNIST είναι ένας σύνθετος «μαγνητικός ενεργοποιητής» που μπορεί να αλλάζει κατάσταση: να γίνεται μαλακός και ελαστικός ή, αντίθετα, σκληρός και ανθεκτικός, ανάλογα με το πώς ενεργοποιείται.

Η τεχνολογία αυτή βασίζεται σε ένα πολυμερές υλικό —ουσιαστικά ένα είδος εύκαμπτου πλαστικού— μέσα στο οποίο ενσωματώνονται μικροσωματίδια μαγνήτη. Ο συνδυασμός αυτός επιτρέπει στο υλικό να «συσπάται» και να κινείται με τρόπο που θυμίζει τους βιολογικούς μύες, ενώ η μαγνητική επίστρωση και η χημική δομή του καθορίζουν πόσο σκληρό ή ελαστικό γίνεται κάθε φορά.

Ο νέος τεχνητός μυς είναι ουσιαστικά ένα «σύνθετο μαγνητικό ενεργοποιητικό υλικό» (magnetic composite actuator). Δημιουργήθηκε συνδυάζοντας δύο τύπους χημικών δεσμών: έναν ισχυρό, μόνιμο δεσμό μεταξύ ατόμων που μοιράζονται ηλεκτρόνια, και έναν πιο ευέλικτο, φυσικό δεσμό που μπορεί να σπάει και να επανασχηματίζεται.

Αυτή η διπλή αρχιτεκτονική —γνωστή ως dual cross-linking— επιτρέπει στο υλικό να είναι ταυτόχρονα ανθεκτικό και ευέλικτο. Επιπλέον, η επιφάνεια του μυϊκού υλικού ενισχύεται με μικροσωματίδια NdFeB, τα οποία μπορούν να τροποποιηθούν με μια ειδική ουσία (οκταδεκυλτριχλωροσιλάνιο), χαρίζοντας του επιπλέον σταθερότητα και ελεγχόμενη συμπεριφορά.

Το αποτέλεσμα είναι ένα υλικό που «σκληραίνει» όταν σηκώνει βάρη και «μαλακώνει» όταν πρέπει να κινηθεί ή να συσταλεί. Το πιο εντυπωσιακό στοιχείο; Ένα κομμάτι του τεχνητού μυ βάρους μόλις 1,13 γραμμαρίων μπορεί να ανυψώσει έως και 5 κιλά, δηλαδή περίπου 4.400 φορές το δικό του βάρος.

Για να αντιληφθεί κανείς το μέγεθος της επίδοσης, ένας ανθρώπινος μυς μπορεί να συσταλεί περίπου κατά 40% του αρχικού του μήκους. Ο τεχνητός μυς των ερευνητών φτάνει σχεδόν το διπλάσιο, ένα ποσοστό παραμόρφωσης (strain) 86,4%.

Αυτό μεταφράζεται σε «πυκνότητα έργου» (work density) 1.150 κιλοτζάουλ ανά κυβικό μέτρο, δηλαδή περίπου 30 φορές υψηλότερη από αυτή που μπορεί να επιτύχει ο ανθρώπινος μυϊκός ιστός. Οι ερευνητές μέτρησαν τις επιδόσεις του υλικού χρησιμοποιώντας μια τυπική μηχανική δοκιμή τάσης, στην οποία το δείγμα τραβιέται μέχρι να σπάσει. Έτσι υπολογίζεται η τελική αντοχή και η ελαστικότητα του.

Η επιτυχία αυτή ανοίγει νέες προοπτικές για τη ρομποτική και την τεχνητή νοημοσύνη. Οι λεγόμενοι «μαλακοί ρομποτικοί μηχανισμοί» (soft robots) θεωρούνται το επόμενο μεγάλο βήμα μετά τα παραδοσιακά, άκαμπτα ρομπότ. Χάρη στην ευκαμψία και την ανθεκτικότητά τους, μπορούν να κινούνται ομαλά, να προσαρμόζονται σε ανώμαλες επιφάνειες και να συνεργάζονται με ανθρώπους χωρίς να προκαλούν ζημιά ή τραυματισμούς.

Το γεγονός ότι οι νέοι τεχνητοί μύες είναι τόσο ελαφριοί και δυνατοί ταυτόχρονα, σημαίνει πως θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε ανθρωποειδή ρομπότ, προσθετικά μέλη, εξωσκελετούς, ακόμη και σε φορητές συσκευές που υποβοηθούν την κίνηση.

Ο Jeong επισημαίνει ότι αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε να αποτελέσει τη βάση για νέα είδη «ανθρώπινης-μηχανικής αλληλεπίδρασης», όπου τα ρομπότ θα ανταποκρίνονται πιο φυσικά σε ανθρώπινες κινήσεις και σήματα.

Αν και η εφαρμογή σε εμπορικά ρομπότ απέχει ακόμη, η μελέτη αποτελεί ορόσημο στην ανάπτυξη ευέλικτων, ανθεκτικών τεχνητών μυών. Οι ερευνητές του UNIST τονίζουν ότι η προσέγγιση τους μπορεί να προσαρμοστεί σε διάφορες κλίμακες και χρήσεις, από μικροσκοπικά ιατρικά εργαλεία μέχρι πλήρους μεγέθους ανθρωποειδή.

[source]