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

Het menselijk hart is een meester in timing, een spierpomp die niet simpelweg samentrekt en ontspant, maar een nauwkeurig vierstapsritme volgt om bloed door het lichaam te verplaatsen. Deze cyclus omvat momenten waarop de hartspier aanspant zonder van grootte te veranderen, waardoor een enorme druk wordt opgebouwd voordat de kleppen opengaan, en momenten waarop het ontspant zonder direct te vullen, waardoor de druk kan dalen voor de volgende slag. Decennialang hebben ingenieurs die probeerden kunstmatige harten te bouwen of nieuwe medische apparaten te testen, gestreden om dit specifieke gedrag na te bootsen. Traditionele modellen behandelen het hart vaak als een eenvoudige pomp die ofwel vloeistof naar buiten duwt of zich vult, waarbij de kritieke fracties van een seconde waarin de druk verandert terwijl het volume exact gelijk blijft, worden gemist. Zonder een manier om te voorspellen hoe een zachte, kunstmatige spier zich tijdens deze exacte momenten zou gedragen, heeft het ontwerpen van een machine die werkelijk als een hart functioneert, geleund op veel gokwerk en herhaaldelijk vallen en opstaan.

Een team van onderzoekers aan de University of Illinois en Loma Linda University heeft nu een nieuwe manier ontwikkeld om deze zachte robotische harten te ontwerpen, waarbij ze bewegen van gokwerk naar een nauwkeurige, voorspellende blauwdruk. Ze creëerden een wiskundig kader dat de fysieke eigenschappen van zachte kunstmatige spieren direct verbindt met de druk- en volumeveranderingen binnen een pompkamer. In plaats van een prototype te bouwen, het te testen, te zien dat het faalt, en het dan opnieuw te proberen, stelt hun methode hen in staat om exact te berekenen hoe een specif kind type zachte spier zal presteren voordat het ooit gebouwd is. Door deze spieren te testen onder strikt gecontroleerde omstandigheden en die gegevens in hun nieuwe model in te voeren, slaagden de onderzoekers erin te voorspellen hoe een zachte robotische ventrikel zou reageren in een gesimuleerd circulatiesysteem. Hun werk bewijst dat het mogelijk is om een zacht robotisch hart te ontwerpen dat het complexe, natuurlijke ritme van een menselijk hart nabootst, inclus\u00za de moeilijke fasen waarin de druk stijgt zonder dat de kamer van omvang verandert.

De natuurlijke cyclus van het hart is verdeeld in vier afzonderlijke stadia, gereguleerd door het openen en sluiten van vier kleppen. Het begint met een fase waarin de hartspier samentrekt terwijl alle kleppen gesloten zijn, wat ervoor zorgt dat de druk snel piekt zonder dat er een verandering optreedt in de hoeveelheid bloed die erin zit. Zodra de druk hoog genoeg is, opent de uitlaatklep en wordt bloed uitgestoten. De cyclus keert vervolgens om: de spier ontspant terwijl de kleppen gesloten blijven, waardoor de druk snel daalt voordat de kamer weer vult. Deze sequentie is essentieel omdat het ervoor zorgt dat het bloed in de juiste richting en met de juiste kracht stroomt. In de natuur wordt dit bereikt door de hartspier zelf, die kracht kan genereren terwijl hij zijn lengte constant houdt. Kunstmatige harten hebben echter historisch gezien moeite gehad om dit te kopiëren. De meeste bestaande apparaten maken gebruik van rigide onderdelen of eenvoudige pompen die niet gemakkelijk de subtiele balans tussen kracht en volume kunnen evenaren die vereist is voor deze specifieke fasen.

Om dit op te lossen, richtten de onderzoekers zich op een type zachte kunstmatige spier genaamd een getordeerde en gewikkelde polymeer-actuator (twisted and coiled polymer actuator). Dit zijn in feite plastic vezels die strak zijn getordeerd en in spiralen zijn gewikkeld, die samentrekken wanneer ze worden verhit, vergelijkbaar met een spier die korter wordt wanneer hij een signaal ontvangt. De uitdaging is geweest dat deze materialen complex zijn; hun vermogen om kracht te genereren verandert afhankelijk van hoeveel ze worden uitgerekt en hoe warm ze worden. Eerdere pogingen om ze te modelleren richtten zich vaak op hoe ver ze konden bewegen onder een constante belasting, wat de cruciale momenten mist wanneer de belasting vaststaat en de druk opbouwt. De onderzoekers realiseerden zich dat om een echt kunstmatig hart te bouwen, ze moesten begrijpen hoe deze spieren zich gedragen wanneer ze helemaal niet mogen bewegen, een toestand die bekend staat als isometrische testen. Door de kracht te meten die deze spieren genereren terwijl ze een vaste lengte behouden, konden ze exact de gegevens vastleggen die nodig zijn om de prestaties van de spier in een hartpomp te voorspellen.

Het team bouwde een nieuw ontwerpframework dat het gedrag van deze spieren koppelt aan de fysica van de stroming van vloeistoffen. Ze begonnen met het creëren van een vereenvoudigd, 'reduced-order model' van het circulatiesysteem, dat fungeert als een kaart van hoe druk en stroming met elkaar interageren. In dit model verbonden ze de specifieke krachtgenererende eigenschappen van de zachte spieren met de weerstand en elasticiteit van het vloeistofsysteem. In tegenstelling tot oudere modellen die van ingenieurs vereisten om ofwel een drukwaarde of een volumewaarde in te voeren om de andere te krijgen, voorspelt dit nieuwe framework beide gelijktijdig. Dit doen ze door de gemeten kenmerken van de spier als startpunt te gebruiken. Als de spier sterk is en het systeem stijf, berekent het model exact wat de druk zal zijn en hoeveel vloeistof er zal bewegen, zonder dat er gegokt hoeft te worden.

Om te bewijzen dat hun idee werkte, testten de onderzoekers hun framework eerst met een standaard elektromechanische motor met een aangekoppelde veer, die diende als een voorspelbare vervanger voor een zachte spier. Ze plaatsten deze opstelling in een gesimuleerde circulatie-lus gevuld met een vloeistof die de dikte van bloed nabootst. Ze veranderden systematisch drie sleelomstandigheden die invloed hebben op hoe een hart werkt: de hoeveelheid bloed die al in de kamer zit voordat deze samentrekt, de weerstand die het bloed ondervindt bij het verlaten van de kamer, en de kracht van de spier zelf. In elk geval voorspelde hun model accuraat de druk- en volumeveranderingen die in het experiment werden waargenomen. Het model repliceerde succesvol een fundamentele biologische regel, bekend als de wet van Frank-Starling, die stelt dat een hartkamer die meer is gevuld voordat deze samentrekt, een grotere hoeveelheid bloed uitstoot. De simulatie toonde aan dat naarmate zij het initiële volume verhoogden, de pomp meer vloeistof uitstootte en hogere drukken bereikte, precies zoals een echt hart doet.

Moedig door deze resultaten, vervingen de onderzoekers de rigide motor door echte zachte kunstmatige spieren gemaakt van getordeerde en gewikkelde polymeren. Ze fabriceerden deze spieren met verschillende vezeldiktes en coil-structuren om te zien hoe het ontwerp de prestaties beïnvloedde. Ze testten deze zachte spieren in dezelfde gesimuleerde circulatie-lus, waarbij ze opnieuw de weerstand en het aantal werkende spieren veranderden. De resultaten waren opmerkelijk. Het voorspellende model, dat gevoed was met gegevens uit de isometrische tests van de spieren, voorspelde accuraat het gedrag van de volledig zachte robotische pomp. Het voorspelde correct hoe het systeem zou reageren wanneer de uitlaatklep werd aangescherpt om de weerstand te verhogen, wat leidde tot een hogere druk en een lagere hoeveelheid uitgestoten vloeistof. Het voorspelde ook correct hoe het toevoegen van meer spieren de kracht van de samentrekking verhoogde, en hoe het veranderen van de elektrische energie-input de prestaties beïnvloedde.

De onderzoekers ontdekten dat de sleutel tot dit succes het begrijpen van de twee soorten kracht was die de spieren produceren: een passieve kracht die aanwezig is simpelweg omdat het materiaal uitgerekt is, en een actieve kracht die wordt gegenereerd wanneer het materiaal wordt verhit. Door deze krachten afzonderlijk te meten onder constante rek, konden ze een nauwkeurige wiskundige beschrijving van de spier opbouwen. Deze beschrijving stelde hen in staat om te zien hoe de spier zou interageren met het vloeistofsysteem tijdens de kritieke fasen waarin het volume niet verandert. In het echte hart zijn dit de fasen waarin de druk wordt opgebouwd tegen gesloten kleppen. De onderzoekers toonden aan dat hun zachte robotische systeem hetzelfde kon doen: een snelle drukverhoging genereren zonder een verandering in volume, een prestatie die veel eerdere zachte robotische ontwerpen niet konden bereiken.

Dit werk vertegenwoordigt een belangrijke verschuiving in de manier waarop zachte robotische harten worden ontworpen. Jarenlang vertrouwde het vakgebied op een proces van trial-and-error, waarbij ingenieurs een prototype bouwen, het testen, en dan handmatig de dikte van het rubber of de timing van de pomp aanpassen totdat het werkt. Dit nieuwe framework neemt die onzekerheid weg. Het stelt ingenieurs in staat om te beginnen met de eigenschappen van het materiaal en de gewenste prestaties van het hart, en vervolgens exact te berekenen hoe het systeem eruit moet zien. Het model is niet alleen een beschrijving van wat er is gebeurd; het is een instrument dat kan voorspellen wat er zal gebeuren voordat het apparaat is gebouwd. Dit is bijzonder belangrijk voor het ontwikkelen van apparaten die patiënten met hartfalen op een dag zouden kunnen ondersteunen, waarbij het vermogen om een pomp af te stemmen op de specifieke behoeften van een persoon cruciaal is.

De onderzoekers benadrukten ook de beperkingen van hun huidige werk. Hun model gaat ervan uit dat het systeem traag genoeg beweegt zodat het gewicht van de vloeistof en de snelheid van de beweging geen significante extra krachten creëren, een aanname die standhoudt bij de langzame, gestage slagen die zij hebben getest. Ze merkten ook op dat hun opstelling gebruikmaakt van een vereenvoudigd netwerk van buizen en kleppen, terwijl een echt menselijk lichaam een veel complexer en flexibeler circulatiesysteem heeft. De kernprestatie blijft echter: zij hebben aangetoond dat het mogelijk is om de microscopische gedragingen van een zachte spier te vertalen naar de macroscopische prestaties van een hartpomp. Door de kloof te overbruggen tussen de materiaalkunde van zachte actuatoren en de vloeistofdynamica van de bloedstroom, hebben zij een duidelijk pad geopend voor de creatie van de volgende generatie bio-geïnspireerde medische apparaten.

De implicaties van dit onderzoek reiken verder dan alleen het bouwen van betere kunstmatige harten. Het framework biedt een manier om elk zacht robotisch systeem te ontwerpen dat met vloeistoffen moet interageren, van kunstmatige nieren tot zachte pompen voor industrieel gebruik. Het vermogen om te voorspellen hoe een zacht materiaal zal reageren onder belasting, vooral wanneer die belasting drukveranderingen zonder volumeveranderingen omvat, is een krachtig instrument. De onderzoekers toonden aan dat door de basiseigenschappen van de spier zorgvuldig te meten en deze in een op fysica gebaseerd model te integreren, zij de noodzaak voor eindeloos prototypen konden elimineren. Deze aanpak transformeert het ontwerp van complexe biologische machines van een kunst van intuïtie naar een wetenschap van berekening, waardoor wordt gewaarborgd dat de volgende generatie zachte robots net zo betrouwbaar en effectief zal zijn als de natuurlijke systemen die zij trachten na te bootsen.