建模和模拟复杂的动态肌肉骨骼架构

2019-11-16 10:26:03

生命科学家和生物工程师研究自然系统和有机体,以了解其生物物理机制,从而推动仿生工程在实验室中的应用。在最近的《自然通信》报告中,美国机械工程和超级计算应用系的张晓天及其同事提出了一种数值方法来模拟肌肉骨骼结构。该方法依赖于异质主动和被动Cosserat杆的组装(基于可变形定向杆的曲线)为动态结构,以建模骨骼,肌腱,韧带,纤维和肌肉的连通性。他们通过解决许多环境和规模的生物和软机器人场景中的一系列问题,展示了该技术的应用。该团队设计了毫米级的生物混合机器人,并重建了复杂的肌肉骨骼系统。该方法用途广泛,并提供了一个框架,可帮助进行正向和反向生物工程设计,以实现有关活生物体功能的基本发现。

肌肉骨骼系统包含骨骼,肌肉,腱和韧带,以在天然生物系统中共同发挥作用。有趣的是,由于非线性因素,这种架构在驱动和控制,拓扑和机械之间包含着不可分割的联系。与刚体机器人形成鲜明对比的是,柔软的生物可以实现变形和结构不稳定性,从而在复杂,非结构化和动态的环境中发挥作用。生物肌肉骨骼结构具有固有的分布性,柔软性和顺应性,可以将控制任务外包给各种隔间。此特性为生物学启发的机器人技术(称为形态计算或机械智能)中新兴的范式提供了基础。这些考虑导致了在具有人造顺应性材料的软机器人技术中形成软生物混合机器人的各种实验进展。尽管在该领域有实验性的进展,但是仍然需要完成跨越生物和合成结构来建模和模拟动态肌肉骨骼结构的工作。

模拟人体肘关节

张等。首先展示了一种方法,该方法包括与生物架构有关的完整的变形动力学,例如弯曲,扭曲,剪切和拉伸。为此,他们基于以前在cosserat杆上的工作,建立了一种肌肉骨骼建模方法,以逐步方法来逼真地模拟活跃的,异构的生物布局,以合成和复制具有复杂生物层的居住结构,以用于高级仿生应用。这项工作使他们能够通过模仿基本的生物力学来复制生物系统,并提供了研究和了解硅中生物体的生物物理功能的途径。。这项研究证明了杆模型的应用在为仿生结构建模复杂的主动系统时发挥了重要作用。

在第一次仿生模拟中,Zhang等人。用人类的肘关节肌肉,肌腱和骨头来说明杆组件,这些杆组件映射到生理,动力学和形态。例如,肘关节显示出柔软和刚硬的特性,简化了动力学并减小了配置空间。分析使他们可以根据与希尔模型有关的容易获得的解剖和生物力学数据来验证和校准模型。该表示形式的详细程度使他们能够解决特定于患者的人体运动学需求,并使用适用于骨组织工程的等轴测验和等速测验来虚拟重建人体肘关节的3D副本。。科学家们可以对单个肌肉单元的动作进行建模,校准和验证,其结果再现了生物系统的动力学和形态。当前的建模方法具有使其不同于Hill模型的关键特征,包括(a)用于选择性募集以模拟伤害的单个杆,以及(b)可以弯曲,扭曲和剪切以适应整个动态力的顺应性肌肉结构或环境中。

工程生物混合机器人

在接下来的实验中,团队设计的生物混合机器人利用其计算解算器,以指导游泳和行走的生物混合机器人的设计和制造在毫米级。为了研究机器人的游泳行为,他们首先使用数值模型和先前建立的生物杂交鞭毛的模拟方法解决了问题。为此,他们创建了原始游泳者的精确复制品,并对聚二甲基硅氧烷(PDMS)基质进行了建模,以模拟实验几何形状和材料特性,并使用簇状活细胞建模为连接到该基质的细小,柔软且收缩的细丝。在仿真和实验之间对游泳运动的定性和定量观察相吻合。

在对生物混合游泳者进行建模和优化之后,他们尝试根据先前的生物混合机器人,以计算机方式设计出先前开发的生物混合步行器,以形成迄今为止Pagan-Diaz等人迄今为止最快的运动型生物机器。在结构上,Pagan-Diaz模型包含一个不对称的水凝胶支架和骨骼肌组织,类似于体内的肌肉-肌腱-骨骼关系,并在实验室的溶液浴中运行。在实验中,他们悬挂了肌肉并对其进行电击,以通过不对称和摩擦引起运动收缩。

张等。在当前工作中模拟了此体系结构,以设计该机器人的新支架和拓扑肌肉布置。新的肌肉组织拓扑结构包含一条细条部分,该部分连接两个缠绕在骨架腿上的环以传递肌肉收缩力,他们使用基准研究对其进行了测试。张等。实验证明了使用Pagan-Diaz模型的计算蓝图,从而构建了一个新型生物机器人,其速度是原始生物杂交机器人的两倍。在仿真中观察到的一致性很好。研究团队展示了计算方法的潜力,该方法可以封装由细胞和肌肉驱动的软机器人系统的物理特性,从而满足所需的应用,以设计出更灵活的原型。

然后,该团队采用了研究中设计的数值方法,以促进生物混合机器人的可制造性并了解生物力学。生物工程师此前曾对蛇的运动进行过多次实验,以使用伺服电机 (旋转致动器)构建目标机器人副本。在本实验中,他们开发了一种完全柔软的弹性蛇,受到真实蛇的生物启发,但通过多个肌腱组有效地致动,以实现平稳的起伏运动。研究团队表明,尽管生物蛇具有多条肌肉来协调步态和身体变形,但该模型仅需要很少的特征即可平稳有效地向前滑动。

为了进行最佳设计,科学家将他们的计算求解器与协方差矩阵自适应-进化策略算法(CMA-ES)结合在一起,以识别位置和驱动方式,以实现最大速度前进。张等。通过参考模拟和实验记录对结果进行比较和验证。该团队的主要目的是揭示隐藏的建筑设计原则,并出于工程目的公开其功能。他们精心设计了分布式致动装置,以实现平稳逼真的步态,与刚性蛇形机器人相比形成了鲜明的对比。研究人员还实施了一个框架,以简化,测试和使用复杂生物系统的生物力学原理,从而基于一些简单的执行器即可创建出逼真的,快速,软机器人的蛇。

为了演示更复杂的运动策略,包括具有关键功能的其他生物结构,研究小组开发了一种羽毛状,肌肉骨骼骨骼的硅翼鸟翅膀。生物工程师以前曾进行过各种研究,以了解鸟类从肌肉激活模式到羽毛生物力学的飞行生物物理特征。在目前的工作中,Zhang等。考虑到鸽子的动态机翼结构,并用弯曲刚度在计算机上重建羽毛,这与以前的研究一致。

他们总共将19根羽毛连接到符合归巢鸽生物学数据的计算翼模型。它们包括与肩膀和肘关节相关的四块肌肉,以相对于人类肘关节模型控制机翼的致动和变形。尽管这种首次研究的模型没有捕获与扑翼飞行相关的复杂空气动力学,但它提供了初步的估计。该团队再现了起飞过程中变身机翼的运动学,并基于先前获得的实验记录的肌电图(EMG)信号建立了肌肉致动模式。

通过这种方式,张晓天和一组研究人员提出了一种组装异质,主动和被动cosserat杆的新方法,以模拟动态的,骨骼肌肉的结构,这些结构可能会变形以促进仿生运动。该方法解决了软机器人技术中现有的工程技术不足,无法填补刚体建模和高保真有限元方法(FEM)仿真之间的空白。

利用研究中开发的有利功能,研究团队设计了软体系统,以解决与软机器人和各种环境中的复杂生物结构有关的许多问题。这项新工作表明了该方法的多功能性,该方法可为生物工程学中受生物启发的结构在发现活生物体的基本特征方面的广泛应用建立有前途的策略。

郑重声明:本文版权归原作者所有,转载文章仅为传播更多信息之目的,如作者信息标记有误,请第一时间联系我们修改或删除,多谢。