Az ultrahanghullámokkal működő, apró buborékokkal töltött puha gél első pillantásra talán nem tűnik különlegesnek. Ám amikor ultrahanggal pulzálják, ez az anyag úgy viselkedik, mint a természetes izom: összehúzódik, megfog, és meglepő erővel emel. A Nature folyóiratban nemrégiben megjelent kutatás egy teljesen új mesterséges izom típust mutat be – olyat, amelyet nem vezetékek, akkumulátorok vagy pumpák, hanem hanghullámok hajtanak.
A buborékos izmok működési elve és előnyei
Az akusztikus rezonancia trükkje révén ezek az úgynevezett „buborék izmok” vezeték nélküli irányítást, gyors reagálást és akár mélyszöveti működést is lehetővé tesznek. Ez új távlatokat nyithat a puha robotika területén: olyan robotok készülhetnek, amelyek élethű mozgékonysággal képesek átbújni szűk helyeken, vagy olyan sebészeti eszközök, amelyek hajlíthatók és flexibilisek az emberi testen belül. Emellett gyengéd fogók is létrejöhetnek, amelyek törékeny tárgyakat képesek megfogni anélkül, hogy megsértenék azokat.
Ryan Truby, a Northwestern Egyetem anyagtudósa, aki nem vett részt a kutatásban, így nyilatkozott: „Orvosi szempontból ez igazán izgalmas. Viszonylag egyszerű megközelítéseket használnak, de ezeket ügyesen integrálják új módokon.”
A mesterséges izmok eddigi kihívásai a robotikában
A robotikai közösség régóta küzd azzal, hogy olyan mesterséges izmokat alkosson, amelyek versenyezhetnek az élő szövetek rugalmasságával és finomságával. A hagyományos motorok és hidraulikus rendszerek ugyan erőt képesek kifejteni, de hiányzik belőlük a finomság, ráadásul testben való használatuk biztonsági kockázatokat rejthet. A puha aktuátorok – melyeket hővel, levegővel vagy kémiai reakciókkal hajtanak – gyakran túl nagyok, hatástalanok vagy lassúak ahhoz, hogy gyakorlati alkalmazásra alkalmasak legyenek.
Az ETH Zürich áttörése: akusztikus rezonanciával működő buborékos izmok
Daniel Ahmed nanorobotikai szakember és csapata az ETH Zürichről egy egészen más megközelítést választott. Az akusztikus rezonancia erejét kihasználva több ezer mikroszkopikus buborékot ágyaztak be egy puha, biokompatibilis gélbe. Ezeket a légzsákokat rácsszerű mintázatba rendezték úgy, hogy ultrahang hatására mozgásba lendüljenek.
A különböző méretű buborékok eltérő ultrahang frekvenciákra reagálnak, így szabályozhatóvá válik az anyag mely része hajlik vagy mozog. Az ultrahang frekvencia és a buborékméret változtatásával a kutatók irányítani tudták a gél hajlítását, forgatását vagy deformálódását – lényegében láthatatlan rezgéseket alakítottak át irányítható mozgássá.
„Különböző frekvenciák aktiválásával programozható izmot hozhatunk létre” – magyarázza Ahmed.
Prototípusok és demonstrációk: életre kelnek a buborékos izmok
Több prototípus is bizonyítja a buborékos izmok működését:
- Egy karmot formázó fogó képes volt élő zebradánió lárvákat sérülés nélkül megragadni.
- Egy rájaszerű puha robot uszonyai három különböző méretű buborékkal voltak ellátva; ezek ultrahang hatására hullámzó mozgást végeztek, így simán haladt vízben – még egy disznó gyomrában is (nem élő állaton tesztelve).
- A disznó szívének felszínén egy buborékmintázatú gél folt szorosan tapadt több mint egy órán át, miközben ultrahanggal hajtották.
- Egy biológiailag lebomló kapszulába zárt mesterséges izmot helyeztek be disznó húgyhólyagjába; miután a kapszula feloldódott, az ultrahang aktiválta az eszközt, amely kinyílt és rögzült a belső szövetfalon – ami ígéretes lehet célzott kezelésekhez.
Orvosi alkalmazások és jövőbeli lehetőségek
Zhan Shi, Ahmed korábbi PhD-hallgatója és jelenleg a kínai Westlake Egyetem munkatársa szerint:
„Rendszerünket gyógyszeradagoló tapaszokként is használhatjuk. Ez nagyon gyakorlati alkalmazás.”
Egy különleges tulajdonságuk még az ultrahanggal hajtott mesterséges izmoknak: a mikrobuborékokat standard ultrahangos képalkotással is követni lehet. Mivel az aktuációs frekvenciák (1–100 kHz) jóval alacsonyabbak a klinikai képalkotáshoz használt frekvenciáknál (1–20 MHz), így a két funkció nem zavarja egymást.
Kihívások és további kutatási irányok
Bár az eddigi bizonyítékok ígéretesek, minden demonstráció holt szöveteken történt. Még nem ismert pontosan, hogyan teljesít majd élő állatokban vagy emberekben – különösen azért sem, mert csontok vagy egyenetlen szövetek szétszórhatják vagy gyengíthetik az ultrahang jelet. Emellett testfolyadékok áramlása is zavarhatja az irányított mozgást.
W. Hong Yeo bioengineer a Georgia Tech-ről, aki nem vett részt a tanulmányban így fogalmazott:
„Nincs in vivo bizonyíték arra vonatkozóan, hogy ez valóban működik-e. Az is korlátozza a rendszert, hogy hosszabb működés során a buborékok kitágulnak és instabillá válnak körülbelül fél óra után.”
Mindezek ellenére Yeo kiemeli a buborékos izmok apró méretét és gyors reagálását mint olyan tulajdonságokat, amelyek különösen vonzóvá tehetik őket orvosi implantátumként. „Ez felkelti az érdeklődésemet,” mondja. „Nagyon egyedi megoldásról van szó, amely logikusnak tűnik.”
Összegzés
Az ultrahanggal vezérelt buborékos mesterséges izmok forradalmi újításként jelennek meg mind a puha robotika fejlesztésében, mind pedig az orvosi eszközök tervezésében. Vezeték nélküli irányításuknak és finom mozgásképességüknek köszönhetően számos innovatív alkalmazási lehetőség nyílik meg előttük – legyen szó akár precíziós sebészeti eszközökről vagy célzott gyógyszeradagolásról. Bár további kutatás szükséges élő szervezetekben való tesztelésükre és tartósságuk javítására, már most látszik bennük a potenciál arra, hogy jelentős előrelépést hozzanak mindkét területen.
Forrás: https://spectrum.ieee.org/artificial-muscle-ultrasound-waves-robots