Bionische spieren: kunstmatige spieren die robots en prothesen laten bewegen
Een bionische spier is een kunstmatig onderdeel dat, net als een echte spier, van vorm verandert als er een prikkel op wordt gezet: het trekt samen, zet uit, buigt of draait. Waar een elektromotor een as laat ronddraaien via tandwielen, doet een bionische spier het anders. Ze verandert direct van vorm zoals een biologische spiervezel dat doet, meestal door een elektrisch signaal, warmte, of luchtdruk. Het resultaat is beweging die vaak zachter, stiller en flexibeler oogt dan die van klassieke motoren.
Denk aan een elastiekje dat je met je vingers uitrekt en weer laat samentrekken. Een bionische spier doet ongeveer hetzelfde, maar dan automatisch en gestuurd door een computer of een signaal uit het lichaam. Zo'n kunstspier kan in een robotarm zitten die voorzichtig een ei oppakt, in een prothesehand die meebeweegt met spiersignalen van de drager, of in een pak dat een fabrieksmedewerker helpt bij het tillen. Het idee is steeds hetzelfde: minder star, meer als de natuur.
Wat is het precies?
"Bionische spier" is geen vast omschreven techniek, maar een verzamelnaam voor verschillende materialen en mechanismen die spierachtig gedrag nabootsen. De belangrijkste varianten werken heel verschillend.
De oudste en meest gebruikte vorm is de pneumatische kunstspier, ook wel McKibben-actuator genoemd naar de Amerikaanse arts Joseph McKibben die het principe in de jaren vijftig bedacht voor prothesen. Het is een rubberen slang omwikkeld met een vlechtstructuur van vezels. Als er lucht in wordt gepompt, zet de slang uit in de breedte en trekt hij juist samen in de lengte, precies zoals een spier dat doet. Dit type wordt tegenwoordig industrieel verkocht, onder meer door het Duitse bedrijf Festo onder de naam Fluidic Muscle.
Een tweede familie zijn elektroactieve polymeren (EAP), kunststoffen die van vorm veranderen onder invloed van elektrische spanning. Een bekende subgroep is de diëlektrische elastomeer-actuator: een dun rubberlaagje tussen twee elektroden dat samendrukt zodra er stroom op staat, waardoor het materiaal platter en breder wordt.
Een derde, opvallend eenvoudige uitvinding is de "getwiste en opgerolde polymeer"-spier. Onderzoekers ontdekten dat gewoon nylon visdraad, wanneer het strak wordt getwist tot het zichzelf in een spiraal opkrult en vervolgens wordt verhit, samentrekt als een spier. Verwarming kan met een elektrische stroom door een dun draadje in de kern. Deze vinding, met simpel materiaal uit de hobbywinkel, zorgde in 2014 voor veel aandacht in de wetenschap.
Een nieuwere variant zijn zogeheten HASEL-actuatoren (hydraulisch versterkte, zelfherstellende elektrostatische actuatoren). Hierbij zit een oliegevulde zak tussen twee elektroden; elektrostatische aantrekkingskracht perst de olie opzij, waardoor de zak van vorm verandert. Deze techniek combineert kracht en snelheid en kan zichzelf herstellen na een klein defect.
Tot slot zijn er spiervormige metaaldraden op basis van geheugenmetaal (shape memory alloy, meestal een nikkel-titaniumlegering). Deze draden "onthouden" een vorm en keren daar bij verwarming naar terug, waardoor ze kunnen samentrekken als een spier.
Wat wil men ermee bereiken?
De drijfveer achter dit onderzoeksveld is een praktisch probleem: klassieke elektromotoren zijn star, zwaar, lawaaierig en kunnen gevaarlijk zijn in direct contact met mensen. Voor een fabrieksrobot achter een hek is dat geen probleem, maar voor een prothese, een exoskelet (een draagbaar frame dat het lichaam ondersteunt) of een robot die naast mensen werkt, wel.
Bionische spieren beloven zachtere, lichtere en veiligere bewegingssystemen. Ze passen in het bredere veld van de "zachte robotica" (soft robotics), waarin machines worden gebouwd van buigzame materialen in plaats van metalen geraamtes. Concrete doelen zijn: prothesen die natuurlijker aanvoelen en reageren op spiersignalen, exoskeletten die ouderen of arbeiders helpen bij tillen en lopen, revalidatierobots na een beroerte, en robotgrijpers die kwetsbare voorwerpen kunnen vastpakken zonder ze te beschadigen. Op de langere termijn hopen onderzoekers ook op toepassingen in kunstorganen, zoals een hart dat via kunstspierweefsel bloed rondpompt, al staat dat nog in een vroeg experimenteel stadium.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal projecten laat zien hoe divers dit veld is.
Nylon-spieren van de University of Texas at Dallas. Het team rond materiaalwetenschapper Ray Baughman publiceerde in 2014 in het tijdschrift Science hoe simpel getwist nylon visdraad als kunstspier kan werken. De vondst was opvallend goedkoop en makkelijk na te bouwen, en gaf een impuls aan onderzoek naar laagdrempelige kunstspieren.
Fluidic Muscle van Festo. Dit Duitse automatiseringsbedrijf verkoopt al langer een pneumatische McKibben-spier als industrieel onderdeel, en bouwde er ook publieksgerichte demonstratiemodellen mee, zoals een robotarm geïnspireerd op een olifantenslurf. Festo gebruikt dit soort projecten vooral om te laten zien wat mogelijk is, niet als massaproduct voor consumenten.
Zachte exosuits van het Wyss Institute (Harvard). De onderzoeksgroep rond Conor Walsh ontwikkelde een op textiel gebaseerd exoskelet (exosuit) dat via kabels en motoren de heup en enkel ondersteunt tijdens het lopen, met als doel energie te besparen bij bijvoorbeeld soldaten, fabrieksarbeiders of mensen die revalideren. Dit is technisch gezien een hybride: de aandrijving komt van compacte motoren, maar het draagstuk zelf is zacht en spierachtig van opzet.
HASEL-actuatoren en Artimus Robotics. Het onderzoek van Christoph Keplinger, verbonden aan de University of Colorado Boulder, resulteerde in 2018 in een publicatie over HASEL-actuatoren met prestaties die aanleunen tegen die van biologische spieren. Vanuit dat werk ontstond het spin-offbedrijf Artimus Robotics, dat deze actuatoren probeert te commercialiseren voor onder meer zachte grijpers.
Zachte robotica aan Cornell University. Onderzoeksgroepen daar, waaronder het werk van Rob Shepherd, experimenteren met vloeistof- en luchtaangedreven zachte robots en materialen die kunnen kleuren of van vorm veranderen, met kunstspieren als een van de bouwstenen voor toekomstige zachte machines.
Hoe ver is de techniek?
Het is belangrijk twee dingen niet te verwarren. De meeste "bionische" prothesehanden die vandaag echt bij mensen worden gebruikt, zoals myo-elektrische handen die spiersignalen van de stomp aflezen, worden nog steeds aangedreven door kleine, conventionele elektromotoren, niet door spiermateriaal zoals hierboven beschreven. Echte materiaal-gebaseerde kunstspieren zitten grotendeels nog in het laboratorium of in industriële niches.
Pneumatische McKibben-spieren zijn het meest volwassen: ze worden al decennia in de industrie gebruikt, mede omdat lucht relatief eenvoudig te regelen is. Nylon-spieren en HASEL-actuatoren zijn veelbelovend qua kracht en energiedichtheid, maar kampen nog met beperkingen: ze zijn vaak trager dan een elektromotor, verliezen kracht bij herhaald gebruik, hebben lucht, hoogspanning of verhitting nodig om te werken, en zijn lastig precies aan te sturen. Elektroactieve polymeren hebben doorgaans hoge spanningen nodig, wat de toepassing in draagbare apparaten bemoeilijkt.
Exosuits staan het dichtst bij praktische inzet: er lopen testtrajecten bij defensie, in de bouw en in de revalidatiezorg, maar grootschalig, betaalbaar gebruik buiten proefprojecten is nog beperkt. Voor kunstspieren in bijvoorbeeld kunstorganen geldt dat dit vooralsnog fundamenteel onderzoek is, met nog geen zicht op toepassing bij patiënten op korte termijn. Kortom: het veld boekt gestage vooruitgang, maar van een doorbraak die klassieke motoren op grote schaal vervangt, is nog geen sprake.
Wie werken eraan?
Het onderzoek is verspreid over universiteiten, gespecialiseerde spin-offbedrijven en een enkele grote industriële speler. In de Verenigde Staten zijn onder meer de University of Texas at Dallas (met het NanoTech Institute van Ray Baughman), de University of Colorado Boulder, Cornell University en het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering aan Harvard University toonaangevend. Vanuit dat laatste Colorado-onderzoek is het bedrijf Artimus Robotics ontstaan, gericht op het commercialiseren van HASEL-actuatoren.
In Europa is Festo in Duitsland de bekendste industriële naam op het gebied van pneumatische kunstspieren en bionische demonstratierobots. Daarnaast lopen er, gefinancierd via Europese onderzoeksprogramma's, diverse universitaire projecten op het gebied van zachte robotica, onder meer in Italië, Zwitserland en Duitsland. Ook in Azië, met name aan Chinese universiteiten zoals Zhejiang University, wordt actief onderzoek gedaan naar kunstspiermaterialen. Vakbladen als Science Robotics en platforms als IEEE Spectrum volgen deze ontwikkelingen op de voet en zijn goede bronnen om de voortgang te blijven volgen.