Je hebt niet meer nodig dan een 3D-printer om pneumatische spieren te maken

By Mauro Mereu

Lachen, lopen of een e-mail tikken, je hebt bij al die handelingen spieren nodig. Dit weefsel in het menselijk lichaam is heel complex en daarom moeilijk na te maken. Een groep onderzoekers heeft nu een manier ontwikkeld om kunstmatige spieren te ontwerpen die op biologische spieren lijken.

Wetenschappers van het Italiaanse Instituut voor Technologie – IIT – creëerden 3D-geprinte spilachtige structuren die ze naar believen kunnen uitrekken en samentrekken. Om te laten zien hoe dat werkt, ontwierpen zij een pneumatische hand met behulp van deze spieren: GRACE (GeometRy-based Actuators able to Contractate and Elongate). Deze kunstspieren kunnen tot duizend keer hun eigen gewicht tillen.

“State-of-art kunstmatige spieren voldoen goed. Het probleem is het assembleren en aanpassen ervan. Het door ons gemaakte systeem biedt een hoge mate van flexibiliteit, omdat contractie en extensie kunnen worden gepersonaliseerd,” vertelde Corrado De Pascali aan Innovation Origins. Hij is de hoofdauteur van de studie en een P.h.D. aan het IIT. 

Flexibiliteit boven complexiteit 

Een pneumatische kunstspier of luchtspier is een apparaat dat lucht gebruikt om menselijke spierbewegingen na te bootsen. Standaard luchtspieren – zoals de eerste die McKibben in de jaren vijftig uitvond – bestaan uit een opblaasbare binnenband binnen een raamwerk van gevlochten gaas, met klemmen aan de uiteinden. Wanneer de buis wordt opgeblazen, zet hij uit, waardoor het gaas wordt aangedrukt. Deze buis trekt samen in verhouding tot de mate waarin de diameter wordt gedwongen uit te zetten, waardoor de klemmen worden aangetrokken. Dat is de contractiekracht van de luchtspier. 

De oplossing van het IIT-team verschilt fundamenteel van de oplossing van McKibbens. Er zijn verschillende spilachtige structuren die de complexe bewegingen van een spier nabootsen. Een combinatie van verschillende van deze GRACE’s is verantwoordelijk voor zowel de vinger- als de polsbeweging in de gepresenteerde demonstratiehand. 

Natuurlijke structuren nabootsen

Het ontwerp van GRACE is een verbeterde versie van eerdere modellen. Zo kwam het team weer een stap dichter bij de natuur door plooien in de spieren in te bouwen. Deze oplossing kwam al voor in sommige aanpassingen van McKibbens’ concept om de plaatsing van gaasvezels te vergemakkelijken. In het nieuwe ontwerp zijn ze essentieel voor het functioneren van de spier. 

Corrado De Pascali

P.h.D student aan de IIT

Hij is de eerste auteur van de studie over pneumatische spieren.

Zonder plooien zou de pneumatische spier opblazen als een ballon. Dit zou echter geen effectieve werking van de PAM opleveren, omdat hij zich zou strekken. Plooien zorgen ervoor dat de luchtspier samentrekt, waardoor een kracht ontstaat. Bij het leeglopen van de spier duwen de plooien de twee uiteinden weg. Daarmee komt de dynamiek al dichter in de buurt van die van echte spieren.

Pneumatische spieren printen

Het team gebruikte voor het maken van de kunsthand een commerciële 3D-printer. Drie kunstmatige spieren vormen elke vinger. Wanneer ze worden opgeblazen, trekken ze de pezen aan, zodat ze openen en sluiten. Elke vinger heeft een autonome pneumatische leiding, wat betekent dat elke vinger afzonderlijk kan worden bediend. Vier grotere GRACE’s – twee aan elke kant – vormen de pols, waardoor alle handrotaties mogelijk zijn. 

“De keuze van een bepaald materiaal boven een ander, verandert de krachten die een GRACE kan uitvoeren.  Een stijver materiaal kan meer druk verdragen dan een zachter materiaal, zodat het zwaardere lasten kan tillen tot meer dan duizend keer zijn gewicht”, legt De Pascali uit. De meest kunstspieren wegen 0,1 gram. Er moet nog veel tijd worden besteed aan het zoeken naar de beste manier om de spier te printen. Volgens de onderzoeker gaat het om al doende te leren. “Uiteindelijk is het niet veel anders dan spelen met een LEGO-doos.” 

Betrouwbare apparaten uit 3D-printers voor de orthopedische sector

Net als hout- of ijzerkunstenaars, beheersen orthopedici het handwerk. Ze gebruiken ook de werktuigen die we kennen van de vakmensen die stenen en hout boetseren.

Klaar voor actie

Met 3D-printing kan een bijna gebruiksklare spier worden verkregen. Volgens De Pascali is dat aspect bijzonder relevant. “Het samenvoegen van de verschillende onderdelen gaat veel gemakkelijker door het 3D printen. Als je daarmee klaar bent, hoef je alleen nog maar het overtollige materiaal weg te halen en de spieren aan de structuur te bevestigen.”

Toepassingen

GRACE’s zijn gericht op toepassingen in de industrie. Bijvoorbeeld voor situaties waarbij fragiele zaken als een ei verplaatst moeten worden. Daarvoor zijn robotarmen en dergelijke systemen niet geschikt. De PAM’s bieden dan de oplossings. Inmiddels print de onderzoeker ook andere spieren die lijken op spieren in dijen en biceps. Maar de onderzoekers van het IIT denken aan meer. 

Bionische hand past zich automatisch aan zijn taken aan

“Handicaps omzetten in nieuwe mogelijkheden”, is de slogan van BionIT Labs, een Italiaanse start-up die Adam’s Hand heeft ontwikkeld. Een volledig adaptieve bionische hand.

“Als onderdeel van een groter door de EU gefinancierd project – gecoördineerd door Lucia Beccai – werken we aan een robotarm die is geïnspireerd door de slurf van de olifant. Die zal bestaan uit duizenden GRACE’s, allemaal in één keer geprint,” zegt De Pascali.