Naukowcy stworzyli sztuczne mięśnie zasilane ultradźwiękami. Mikrobąbelki w polimerze pozwalają robotom poruszać się bez kabli i bez baterii.
Zaprezentowano właśnie sztuczne mięśnie, które do działania nie potrzebują baterii, kabli ani żadnej elektroniki. Zamiast tego są zasilane bezprzewodowo falami ultradźwiękowymi. Technologia oparta na rezonujących mikrobąbelkach pozwala na precyzyjne ruchy, a w przyszłości może zrewolucjonizować chirurgię.
Miękkie roboty zamiast sztywnych maszyn
Współczesna robotyka ma jeden fundamentalny problem – mimo dekad postępów, maszyny wciąż nie potrafią odtworzyć subtelności i adaptacyjności biologicznych mięśni. Zamiast tego polegamy na sztywnych materiałach i nieporęcznych siłownikach. Odpowiedzią na to wyzwanie ma być miękka robotyka, która mogłaby zrewolucjonizować protetykę, urządzenia haptyczne czy chirurgię.
Najnowsze osiągnięcie w tej dziedzinie jest dużym krokiem do przodu. Naukowcy stworzyli sztuczne mięśnie z miękkiego polimeru, w którym uwięzili tysiące mikroskopijnych bąbelków. To właśnie te bąbelki pełnią rolę miniaturowych silników.
Jak bąbelki poruszają robotem?
Jak czytamy na łamach Nature, sekret tkwi w fizyce rezonansu. Mikrobąbelki niezwykle gwałtownie reagują na określoną częstotliwość ultradźwięków. Częstotliwość ta zależy głównie od ich rozmiaru. Trafiony odpowiednią falą bąbelek zaczyna gwałtownie oscylować, generując wokół siebie silny przepływ płynu. Ten ruch, zwielokrotniony przez tysiące bąbelków działających razem, wytwarza mierzalny ciąg, który powoduje zginanie lub kurczenie się materiału.
To proste rozwiązanie genialnie naśladuje dwa fundamenty działania prawdziwych ludzkich mięśni. Po pierwsze, ma budowę hierarchiczną – tysiące mikroskopijnych włókien współpracuje, by wywołać ruch makroskopowy. Po drugie, jest łatwo programowalne.
Programowanie dzięki dźwięku
Innowacją jest zastosowanie bąbelków o różnych rozmiarach. Ponieważ każdy rozmiar bąbelka reaguje na inną częstotliwość dźwięku, operator może precyzyjnie kontrolować robota. Zmieniając częstotliwość wysyłanych ultradźwięków, aktywuje wybrane grupy bąbelków. Dzięki temu sztuczne mięśnie mogą wykonywać złożone, skoordynowane deformacje – zginać się w określony sposób, chwytać obiekty, a choćby wykonywać ruchy faliste, przypominające pływanie. A wszystko to odbywa się całkowicie bezprzewodowo.
Naukowcy zademonstrowali już potencjał technologii w kilku eksperymentach. Stworzyli delikatny chwytak, który był w stanie unieruchomić żywą larwę ryby (danio pręgowanego), nie wyrządzając jej żadnej krzywdy ani nie przegrzewając otoczenia. Zbudowano także elastyczny plaster, który przyklejono do wyciętego świńskiego serca. Aktywacja ultradźwiękami pozwoliła na generowanie lokalnych deformacji i mechaniczne stymulowanie organu, co otwiera drogę do terapii celowanych, np. dostarczania leków na zwłóknienia.
Najbardziej spektakularny był jednak robot-płaszczka. Dwa sztuczne mięśnie imitowały płetwy, a ich skoordynowana aktywacja pozwalała robotowi pływać w wodzie. Co więcej, maszynę zamknięto w biodegradowalnej kapsułce, która rozpuściła się w wyciętym świńskim żołądku. Następnie robot, sterowany zewnętrznymi ultradźwiękami, był w stanie samodzielnie nawigować przez skomplikowaną geometrię organu.
To przyszłość medycyny?
Ogromną zaletą tej metody jest jej kompatybilność z medycyną. Częstotliwości używane do aktywacji robotów (1-100 kHz) są zupełnie inne, niż te używane w obrazowaniu klinicznym (1-20 MHz). Oznacza to, iż lekarz mógłby jednocześnie sterować robotem i obserwować go na monitorze USG. I to bez ryzyka występowania jakichkolwiek zakłóceń. To wielka przewaga nad np. robotami magnetycznymi, które zakłócają pracę rezonansu magnetycznego.
Droga do zastosowań klinicznych jest jednak jeszcze bardzo daleka. Obecne prototypy mają spore ograniczenia – po około 30 min ciągłej aktywacji bąbelki zaczynają rosnąć, co destabilizuje pracę urządzenia. Ponadto siła robota drastycznie spada wraz z odległością od źródła dźwięku – o połowę na dystansie zaledwie od 1 do 5 cm. Przede wszystkim jednak wszystkie testy przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych. W żywym ludzkim ciele kości i niejednorodne tkanki będą silnie rozpraszać i tłumić ultradźwięki, co stanowi największe wyzwanie do pokonania.
Inżynieryjna elegancja
Można powiedzieć, iż jest to inżynieryjna elegancja w czystej postaci. Zamiast brnąć w ślepą uliczkę coraz bardziej skomplikowanych serwomotorów, siłowników i baterii, naukowcy sięgnęli po genialne w swojej prostocie rozwiązanie: fizykę rezonansu. Ujarzmienie tysięcy mikrobąbelków dzięki niewidzialnej fali dźwiękowej to techniczny trik – to fundamentalna zmiana w myśleniu o napędzie. To jest właśnie ten moment, na który czekała miękka robotyka od wielu lat.
Cały urok tej technologii leży w tym, jak idealnie naśladuje ona biologię, jednocześnie rozwiązując największe problemy medycyny. Mamy hierarchię (tysiące bąbelków jak włókna mięśniowe) i programowalność (różne częstotliwości sterujące różnymi sekcjami). A co najważniejsze, rozwiązano problem patrzenia na robota. Fakt, iż system działa w harmonii z klinicznym USG, a nie zakłóca go jak systemy magnetyczne, to jest właśnie ten przełom, który może zmienić laboratoria w sale operacyjne.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
