A Predictive Design Framework for a Soft Robotic Ventricle using Contractile Actuators

Das menschliche Herz ist ein Meister des Timings, eine muskuläre Pumpe, die nicht bloß drückt und nachlässt, sondern einem präzisen vierstufigen Rhythmus folgt, um Blut durch den Körper zu bewegen. Dieser Zyklus umfasst Momente, in denen sich der Herzmuskel zusammenzieht, ohne seine Größe zu verändern, wodurch ein immenser Druck aufgebaut wird, bevor sich die Klappen öffnen, sowie Momente, in denen er sich entspannt, ohne sofort wieder gefüllt zu werden, was es ermöglicht, dass der Druck vor dem nächsten Schlag abfällt. Jahrzehntelang hatten Ingenieure, die versuchten, künstliche Herzen zu bauen oder neue medizinische Geräte zu testen, damit kämpfen, dieses spezifische Verhalten nachzuahmen. Traditionelle Modelle behandeln das Herz oft als eine einfache Pumpe, die entweder Flüssigkeit herausdrückt oder sich füllt, wobei sie die kritischen, sekundenbruchteillangen Phasen übersehen, in denen sich der Druck ändert, während das Volumen exakt gleich bleibt. Oh�lich eine Möglichkeit zu haben, vorherzusagen, wie sich ein weicher, künstlicher Muskel während dieser exakten Momente verhalten würde, hing das Design einer Maschine, die wirklich wie ein Herz agiert, stark auf Vermutungen und wiederholtem Ausprobieren und Irrtum (Trial-and-Error) ab.

Ein Team von Forschern der University of Illinois und der Loma Linda University hat nun einen neuen Weg entwickelt, diese weichen robotischen Herzen zu entwerfen, weg von der bloßen Vermutung hin zu einem präzisen, prädiktiven Bauplan. Sie entwickelten einen mathematischen Rahmen, der die physikalischen Eigenschaften weicher künstlicher Muskeln direkt mit den Druck- und Volumenänderungen innerhalb einer Pumpkammer verbindet. Anstatt einen Prototyp zu bauen, ihn zu testen, sein Scheitern zu sehen und dann erneut zu versuchen, ermöglicht ihre Methode ihnen zu berechnen, wie ein spezifischer Typ eines weichen Muskels funktionieren wird, noch bevor er überhaupt gebaut wird. Durch das Testen dieser Muskeln unter strengen, kontrollierten Bedingungen und das Einspeisen dieser Daten in ihr neues Modell gelang es den Forschern, vorherzusagen, wie sich eine weiche robotische Ventrikel in einem simulierten Kreislaufsystem verhalten würde. Ihre Arbeit beweist, dass es möglich ist, ein weiches robotisches Herz zu entwerfen, das den komplexen, natürlichen Rhythmus eines menschlichen Herzens repliziert, einschließlich der schwierigen Phasen, in denen der Druck steigt, ohne dass sich die Kammer vergrößert.

Der natürliche Zyklus des Herzens ist in vier verschiedene Stadien unterteilt, die durch das Öffnen und Schließen von vier Klappen reguliert werden. Er beginnt mit einer Phase, in der sich der Herzmuskel zusammenzieht, während alle Klappen geschlossen sind, was dazu führt, dass der Druck rasant ansteigt, ohne dass sich die Menge des Blutes im Inneren verändert. Sob wenn der Druck hoch genug ist, öffnet sich die Auslassklappe und Blut wird ausgestoßen. Der Zyklus kehrt sich um: Der Muskel entspannt sich, während die Klappen geschlossen bleiben, was dazu führt, dass der Druck schnell abfällt, bevor die Kammer wieder gefüllt wird. Diese Sequenz ist entscheidend, da sie sicherstellt, dass das Blut in die richtige Richtung und mit der richtigen Kraft fließt. In der Natur wird dies durch den Herzmuskel selbst erreicht, der Kraft erzeugen kann, während er seine Länge beibehält. Künstliche Herzen hingegen hatten historisch gesehen Schwierigkeiten, dies zu kopieren. Die meisten existierenden Geräte verwenden starre Teile oder einfache Pumpen, die den subtilen Ausgleich zwischen Kraft und Volumen, der für diese spezifischen Phasen erforderlich ist, nicht leicht replizieren können.

Um dies zu lösen, konzentrierten sich die Forscher auf eine Art von weichem künstlichem Muskel, den sogenannten verdrehten und gewundenen Polymer-Aktuator (twisted and coiled polymer actuator). Dies sind im Wesentlichen Kunststofffasern, die zu engen Spulen verdreht sind und sich erhitzen, ähnlich wie ein Muskel verkürzt, wenn er ein Signal erhält. Die Herausforderung bestand darin, dass diese Materialien komplex sind; ihre Fähigkeit, Kraft zu erzeugen, ändert sich je nachdem, wie stark sie gedehnt werden und wie heiß sie werden. Frühere Versuche, sie zu modellieren, maßen oft, wie weit sie sich unter einer konstanten Last bewegen konnten, was jedoch die entscheidenden Momente übersieht, in denen die Last fixiert ist und der Druck aufgebaut wird. Die Forscher erkannten, dass sie, um ein echtes künstliches Herz zu bauen, verstehen mussten, wie sich diese Muskeln verhalten, wenn sie sich gar nicht bewegen dürfen – ein Zustand, der als isometrischer Test bekannt ist. Durch die Messung der Kraft, die diese Muskeln erzeugen, während sie eine feste Länge halten, konnten sie genau die Daten erfassen, die nötig sind, um die Leistung des Muskels innerhalb einer Herzpumpe vorherzusagen.

Das Team baute ein neues Design-Framework, das das Verhalten dieser Muskeln mit der Physik des Fluidflusses verbindet. Sie begannen mit der Erstellung eines vereinfachten, reduzierten Modells des Kreislaufsystems, das wie eine Landkarte fungiert, die zeigt, wie Druck und Fluss interagieren. In diesem Modell verbanden sie die spezifischen kraftgenerierenden Eigenschaften der weichen Muskeln mit dem Widerstand und der Elastizität des Fluidsystems. Im Gegensatz zu älteren Modellen, die von Ingenieuren erforderten, entweder einen Druckwert oder einen Volumenwert einzugeben, um den jeweils anderen zu erhalten, sagt dieses neue Framework beide gleichzeitig voraus. Dies geschieht durch die Verwendung der gemessenen Charakteristika des Muskels als Ausgangspunkt. Wenn der Muskel stark und das System steif ist, berechnet das Modell exakt, wie hoch der Druck sein wird und wie viel Flüssigkeit sich bewegen wird, ohne dass geraten werden muss.

Um zu beweisen, dass ihre Idee funktionierte, testeten die Forscher ihr Framework zuerst mit einem Standard-Elektromechanik-Motor mit einer angehängten Feder, der als vorhersehbarer Stellvertreter für einen weichen Muskel diente. Sie platzierten diesen Aufbau in einem künstlichen Kreislauf, der mit einer Flüssigkeit gefüllt war, die die Viskosität von Blut imitiert. Sie veränderten systematisch drei Schlüsselbedingungen, die beeinflussen, wie ein Herz arbeitet: die Menge des Blutes, die bereits in der Kammer vorhanden war, bevor sie zusammengedrückt wurde, den Widerstand, dem das Blut beim Verlassen der Kammer gegenübersteht, und die Stärke des Muskels selbst. In jedem Fall sagte ihr Modell die beobachteten Druck- und Volumenänderungen in dem Experiment genau voraus. Das Modell replizierte erfolgreich ein grundlegendes biologisches Gesetz, das als Frank-Starling-Gesetz bekannt ist, welches besagt, dass eine Herzkammer, die vor der Kontraktion stärker gefüllt ist, eine größere Menge Blut ausstößt. Die Simulation zeigte, dass, wenn sie das Anfangsvolumen erhöhten, die Pumpe mehr Flüssigkeit ausstieß und höhere Drücke erreichte, genau wie ein echtes Herz.

Ermutigt durch diese Ergebnisse, ersetzten die Forscher den starren Motor durch tatsächliche weiche künstliche Muskeln aus verdrehten und gewundenen Polymeren. Sie fertigten diese weichen Muskeln mit unterschiedlichen Faserdicken und Spulenstrukturen an, um zu sehen, wie das Design die Leistung beeinflusst. Sie testeten diese weichen Muskeln im selben künstlichen Kreislauf und änderten dabei erneut den Widerstand und die Anzahl der zusammenwirkenden Muskeln. Die Ergebnisse waren beeindruckend. Das prädiktive Modell, das mit den Daten aus den isometrischen Tests der Muskeln gespeist worden war, sagte das Verhalten der vollständig weichen robotischen Pumpe präzise voraus. Es sagte korrekt voraus, wie das System reagieren würde, wenn das Auslassventil verengt wurde, um den Widerstand zu erhöhen, was zu einem Druckanstieg und einer Verringerung der ausgestoßenen Flüssigkeitsmenge führte. Es sagte auch korrekt voraus, wie das Hinzufügen von mehr Muskeln die Stärke des Drucks erhöhte und wie die Änderung der elektrischen Energiezufuhr die Leistung veränderte.

Die Forscher fanden heraus, dass der Schlüssel zu diesem Erfolg im Verständnis der zwei Arten von Kraft lag, die die Muskel produzieren: eine passive Kraft, die allein dadurch existiert, dass das Material gedehnt ist, und eine aktive Kraft, die generiert wird, wenn das Material erhitzt wird. Indem sie diese Kräfte separat unter konstanter Dehnung (Strain) maßen, konnten sie eine präzise mathematische Beschreibung des Muskels erstellen. Diese Beschreibung ermöglichte es ihnen zu sehen, wie der Muskel mit dem Fluidsystem während der kritischen Phasen interagieren würde, in denen sich das Volumen nicht ändert. Im echten Herzen sind dies die Phasen, in denen der Druck gegen geschlossene Klappen ansteigt. Die Forscher zeigten, dass ihr weiches robotisches System dasselbe tun kann: einen schnellen Druckanstieg ohne Volumenänderung zu erzeugen – eine Leistung, die viele bisherige Soft-Roboter-Designs nicht erreichen konnten.

Diese Arbeit stellt einen bedeutenden Wandel in der Art und Weise dar, wie weiche robotische Herzen entworfen werden. Jahrelang verließ sich das Feld auf einen Trial-and-Error-Ansatz, bei dem Ingenieure einen Prototyp bauen, ihn testen und dann die Dicke des Gummis oder das Timing der Pumpe manuell anpassen, bis es funktioniert. Dieses neue Framework beseitigt diese Unsicherheit. Es ermöglicht Ingenieuren, mit den Eigenschaften des Materials und der gewünschten Leistung des Herzens zu beginnen und dann exakt zu berechnen, wie das System aussehen muss. Das Modell ist nicht nur eine Beschreibung dessen, was passiert ist; es ist ein Werkzeug, das vorhersagen kann, was passieren wird, bevor das Gerät gebaut wird. Dies ist besonders wichtig für die Entwicklung von Geräten, die eines Tages Patienten mit Herzinsuffizienz helfen könnten, bei denen die Fähigkeit, eine Pumpe auf die spezifischen Bedürfnisse einer Person zuzuschneiden, entscheidend ist.

Die Forscher wiesen auch auf die Grenzen ihrer derzeitigen Arbeit hin. Ihr Modell geht davon aus, dass sich das System langsam genug bewegt, dass das Gewicht der Flüssigkeit und die Geschwindigkeit der Bewegung keine signifikanten zusätzlichen Kräfte erzeugen – eine Annahme, die für die von ihnen getesteten langsamen, stetigen Schläge zutrifft. Sie merkten auch an, dass ihr Aufbau ein vereinfachtes Netzwerk aus Rohren und Ventilen verwendet, während ein echter menschlicher Körper ein viel komplexeres und flexibleres Kreislaufsystem besitzt. Dennoch bleibt die Kernleistung bestehen: Sie haben eine zuverlässige Methode demonstriert, das mikroskopische Verhalten eines weichen Muskels in die makroskopische Leistung einer Herzpumpe zu übertragen. Indem sie die Lücke zwischen der Materialwissenschaft der weichen Aktuatoren und der Fluiddynamik des Blutflusses überbrückten, haben sie einen klaren Weg für die nächste Generation bio-inspirierter medizinischer Geräte geebnet.

Die Auswirkungen dieser Forschung erstrecken sich über den Bau besserer künstlicher Herzen hinaus. Das Framework bietet eine Möglichkeit, jedes weiche robotische System systematisch zu entwerfen, das mit Fluiden interagieren muss, von künstlichen Nieren bis hin zu weichen Pumpen für den industriellen Gebrauch. Die Fähigkeit, vorherzusagen, wie sich ein weiches Material unter Last verhalten wird, insbesondere wenn diese Last Druckänderungen ohne Volumenverschiebungen beinhaltet, ist ein mächtiges Werkzeug. Die Forscher zeigten, dass sie durch die sorgfältige Messung der Basiseigenschaften des Muskels und deren Integration in ein physikbasiertes Modell den Bedarf an endlosem Prototyping eliminieren konnten. Dieser Ansatz verwandelt das Design komplexer biologischer Maschinen von einer Kunst der Intuition in eine Wissenschaft der Berechnung und stellt sicher, dass die nächste Generation weicher Roboter so zuverlässig und effektiv ist wie die natürlichen Systeme, die sie nachzuahmen suchen.