엔지니어들은 근육으로 움직이는 로봇을 위한 부드럽고 유연한 '골격'을 설계 합니다.

우리의 근육은 자연의 완벽한 작동기, 즉 에너지를 운동으로 바꾸는 장치입니다. 크기에 비해 근섬유는 대부분의 합성 작동기보다 더 강력하고 정확합니다. 손상을 치유하고 운동을 통해 더 강해질 수도 있습니다.

이러한 이유로 엔지니어들은 자연스러운 근육을 이용해 로봇에 동력을 공급하는 방법을 모색하고 있습니다. 그들은 걷고, 수영하고, 펌핑하고, 잡는 인공 골격에 전력을 공급하기 위해 근육 기반 액추에이터를 사용하는 소수의 “바이오하이브리드” 로봇을 시연했습니다. 그러나 모든 봇에는 빌드가 매우 다르며 특정 로봇 설계에 대해 근육을 최대한 활용하는 방법에 대한 일반적인 청사진이 없습니다.

이제 MIT 엔지니어들은 거의 모든 근육 결합 로봇의 기본 뼈대형 모듈로 사용할 수 있는 스프링형 장치를 개발했습니다. 새로운 스프링 또는 “플렉셔(flexure)”는 부착된 근육 조직을 최대한 활용하도록 설계되었습니다. 적당한 무게로 몸에 꼭 맞는 레그 프레스처럼 근육이 자연스럽게 만들어낼 수 있는 움직임의 양을 극대화하는 장치입니다.

연구원들은 두 개의 기둥 주위에 늘어진 고무 밴드처럼 근육 조직의 고리를 장치에 장착했을 때 근육이 스프링을 안정적이고 반복적으로 잡아당겨 다른 이전 장치 설계에 비해 5배 더 늘어난다는 것을 발견했습니다. .

팀은 플렉셔 설계를 다른 플렉셔와 결합하여 인공 골격의 모든 구성을 구축할 수 있는 새로운 빌딩 블록으로 보고 있습니다. 그런 다음 엔지니어는 골격에 근육 조직을 맞춰 움직임에 힘을 실어줄 수 있습니다.

“이러한 굴곡은 이제 사람들이 매우 예측 가능한 방식으로 근육 작동을 다양한 동작 자유도로 전환하는 데 사용할 수 있는 뼈대와 같습니다.”라고 MIT 엔지니어링 디자인 분야의 Brit 및 Alex d’Arbeloff 경력 개발 교수인 Ritu Raman은 말합니다. “우리는 로봇공학자들에게 흥미로운 일을 하는 강력하고 정밀한 근력 로봇을 만들기 위한 새로운 규칙 세트를 제공하고 있습니다.”

Raman과 그녀의 동료들은 저널에 게재된 논문에서 새로운 굴곡 설계에 대한 세부 사항을 보고합니다. 고급 지능형 시스템. 이 연구의 MIT 공동 저자로는 Naomi Lynch ’12, SM ’23; 학부생 타라 시한(Tara Sheehan); 대학원생 Nicolas Castro, Laura Rosado 및 Brandon Rios; 기계공학 교수인 마틴 컬페퍼(Martin Culpepper)입니다.

근육 당기기

유리한 조건에서 페트리 접시에 방치하면 근육 조직은 저절로 수축하지만 완전히 예측할 수 없거나 많이 사용되지 않는 방향으로 수축합니다.

“근육이 아무 것에도 부착되어 있지 않으면 많이 움직일 것입니다. 하지만 액체 속에서 이리저리 흔들리는 정도의 변동성은 매우 큽니다.”라고 Raman은 말합니다.

근육이 기계식 액추에이터처럼 작동하도록 하기 위해 엔지니어는 일반적으로 두 개의 작고 유연한 기둥 사이에 근육 조직 밴드를 부착합니다. 근육 밴드가 자연적으로 수축함에 따라 기둥을 구부리고 함께 당겨 로봇 골격의 일부에 이상적으로 동력을 공급할 수 있는 움직임을 생성할 수 있습니다. 그러나 이러한 디자인에서는 근육의 움직임이 제한적입니다. 이는 주로 조직이 기둥과 접촉하는 방식이 매우 다양하기 때문입니다. 근육이 기둥에 배치된 위치와 근육 표면이 기둥에 닿는 정도에 따라 근육이 기둥을 함께 당기는 데 성공할 수 있지만 때로는 제어할 수 없는 방식으로 흔들릴 수도 있습니다.

Raman의 그룹은 예측 가능하고 신뢰할 수 있는 방식으로 최대한의 움직임을 생성하기 위해 골격의 정확한 위치와 위치에 관계없이 근육 수축에 집중하고 최대화하는 골격을 설계하려고 했습니다.

“문제는 근육이 생성하는 힘을 가장 효율적으로 사용하는 골격을 어떻게 설계하는가입니다.” 라만은 말합니다.

연구자들은 먼저 근육이 자연스럽게 움직일 수 있는 여러 방향을 고려했습니다. 그들은 근육이 특정 방향을 따라 두 개의 기둥을 함께 당기려면 기둥을 당길 때만 해당 방향으로 움직일 수 있도록 하는 스프링에 연결되어야 한다고 추론했습니다.

“우리는 한 방향으로 매우 부드럽고 유연하며 다른 모든 방향으로 매우 견고한 장치가 필요합니다. 그래야 근육이 수축할 때 모든 힘이 효율적으로 한 방향의 움직임으로 변환됩니다.”라고 Raman은 말합니다.

소프트 플렉스

밝혀진 대로 Raman은 Martin Culpepper 교수의 연구실에서 그러한 장치를 많이 발견했습니다. MIT의 Culpepper 그룹은 다양한 응용 분야에서 초정밀 이동, 측정 및 제어를 가능하게 하기 위해 기계 및 시스템에 내장할 수 있는 소형 액추에이터, 베어링 및 기타 메커니즘과 같은 기계 요소의 설계 및 제작을 전문으로 합니다. 그룹의 정밀 가공 요소 중에는 플렉셔(Flexure)가 있습니다. 플렉셔는 종종 평행 빔으로 만들어지며 나노미터 정밀도로 구부러지고 늘어날 수 있는 스프링 모양 장치입니다.

“빔이 얼마나 얇고 멀리 떨어져 있는지에 따라 스프링이 얼마나 뻣뻣해 보이는지 변경할 수 있습니다”라고 Raman은 말합니다.

그녀와 Culpepper는 팀을 이루어 근육 조직이 자연스럽게 수축하고 스프링을 최대로 늘릴 수 있도록 구성과 강성으로 특별히 맞춤화된 플렉셔를 설계했습니다. 팀은 근육의 자연적인 힘을 굴곡의 강성 및 움직임 정도와 연관시키기 위해 수행한 수많은 계산을 기반으로 장치의 구성과 치수를 설계했습니다.

그들이 궁극적으로 설계한 굴곡은 근육 조직 자체의 강성도의 1/100입니다. 이 장치는 미니어처 아코디언과 유사한 구조와 유사하며, 그 모서리는 베이스에 직접 맞는 이웃 포스트 근처에 있는 작은 포스트에 의해 기본 베이스에 고정됩니다. 그런 다음 Raman은 두 개의 모서리 기둥 주위에 근육 밴드를 감고(팀은 쥐 세포에서 자란 살아있는 근육 섬유로 밴드를 성형했습니다) 근육 밴드가 수축될 때 기둥이 얼마나 가깝게 당겨지는지 측정했습니다.

팀은 굴곡의 구성으로 인해 근육 밴드가 두 기둥 사이의 방향을 따라 대부분 수축할 수 있음을 발견했습니다. 이러한 집중된 수축을 통해 근육은 이전 근육 작동기 설계에 비해 기둥을 훨씬 더 가깝게(5배 더 가깝게) 당길 수 있었습니다.

“플렉셔는 한 방향에서는 매우 부드럽고 유연하며 다른 모든 방향에서는 매우 단단하도록 설계한 뼈대입니다.”라고 Raman은 말합니다. “근육이 수축하면 모든 힘이 그 방향으로의 움직임으로 변환됩니다. 이는 엄청난 확대입니다.”

팀은 이 장치를 사용하여 근육 성능과 지구력을 정확하게 측정할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 근육 수축 빈도를 변화시켰을 때(예를 들어 밴드를 초당 1회 수축과 4회 수축으로 자극), 근육이 더 높은 주파수에서 “피곤해지며” 많은 당기는 힘을 생성하지 않는다는 것을 관찰했습니다.

“우리의 근육이 얼마나 빨리 피로해지는지, 어떻게 근육을 운동시켜 높은 지구력 반응을 얻을 수 있는지 살펴보는 것이 이 플랫폼을 통해 밝혀낼 수 있는 것입니다.”라고 Raman은 말합니다.

연구원들은 이제 자연 근육으로 구동되는 정밀하고 관절이 있으며 신뢰할 수 있는 로봇을 만들기 위해 굴곡을 적용하고 결합하고 있습니다.

Raman은 “미래에 우리가 만들려고 하는 로봇의 예로는 신체 내부에서 최소 침습 수술을 수행할 수 있는 수술 로봇이 있습니다”라고 말했습니다. “기술적으로 근육은 모든 크기의 로봇에 동력을 공급할 수 있지만 생물학적 액추에이터가 강도, 효율성 및 적응성 측면에서 탁월하기 때문에 작은 로봇을 만드는 데 특히 흥미가 있습니다.”

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/04/240408130824.htm