Команда исследователей из Барселонского института науки и технологий разрабатывает биогибридные мягкие биороботы на основе скелетных мышц. Минироботы могут плавать быстрее, чем другие биороботы подобного типа.
Сфера робототехники стремится имитировать то, что природные биологические сущности достигли на протяжении тысячелетий эволюции. Это прежде всего такие действия, как движение, адаптация к окружающей среде или восприятие. Помимо традиционных жестких роботов, недавно появилась область мягкой робототехники, в которой используются совместимые, гибкие материалы, способные адаптироваться к окружающей среде более эффективно, чем жесткие. Помня об этой цели, ученые годами работали над так называемыми биогибридными роботами или биоботами, добиваясь ползания, хватания или плавания, подобно живым существам. К сожалению, нынешние биоботы пока далеки от возможности подражать естественным существам с точки зрения мобильности и силы.
По мере того, как ученые продолжают улучшать возможности мягких роботов, они обращаются к натуральным материалам таким как ткани животных. На сегодняшний день большая часть усилий в этой области связана с использованием скелетных или сердечных мышц — у каждой из них есть свои сильные и слабые стороны. Биоботы на основе скелетных мышц, в частности, обычно недостаточно подвижны и сильны. В рамках новых исследований ученые из Испании разработали новый дизайн мягкого робота на основе крошечных мышц, который решает обе проблемы и, следовательно, может плавать быстрее, чем другие подобные роботы.
Гибридные мягкие биороботы, сочетающие в себе живые и синтетические компоненты, являются новой областью разработки современных приводов и других роботизированных платформ (например, плавающих, гусеничных либо ходящих). Интеграция биологических компонентов позволяет получить уникальные характеристики, которые искусственные материалы не могут точно воспроизвести. Это прежде всего адаптивность и реакция на внешние раздражители.
Чтобы создать своего биобота, исследователи с помощью моделирования создали пружинный позвоночник плавающего существа в форме угря. Моделирование позволило исследователям оптимизировать его форму. Затем они напечатали скелет на 3D-принтере (который был сделан из полимера) и использовали его в качестве основы для роста скелетных мышц. Готовый робот имел длину около 260 микрометров, а его форма позволяла двигаться только в одном направлении. Движение биобота осуществляется при электростимуляции: заряд заставляет мышцу сокращаться, что сжимает скелетную пружину внутри. Когда стимуляция прекращается, энергия пружины высвобождается, толкая биобота вперед.
Вид сверху биобота, состоящего из насыщенного мышечными клетками гидрогеля и пружинного скелета. Интегрированный податливый скелет обеспечивает как механическую самостимуляцию, так и необходимую асимметрию для направленного движения, отображая максимальную скорость при частоте сокращений 5 герц около 800 микрометров в секунду (3 длины тела в секунду). Кредит: МБЭС
Преимущество этого инновационного каркаса заключается в улучшенном обучении и развитии ткани за счет механической самостимуляции при спонтанных сокращениях, которая имеет обратную связь за счет силы пружины. Этот процесс самообучения приводит к усилению срабатывания и большей силе сжатия скелетной пружины работе биобота. Такие змеевидные пружины раньше не входили в состав мягкой роботизированной живой системы.
Вид сбоку на плавательного биобота, состоящего из насыщенного мышечными клетками гидрогеля и пружинного скелета. В то время как большинство исследователей обычно работают с жесткими или привязными каркасами для искусственных роботов, в новых исследованиях создали биологического робота на основе гибкой змеевидной пружины, изготовленной из полимера под названием PDMS, который был разработан и оптимизирован с помощью моделирования, а затем напечатан с использованием 3D-технологии. Эти биоботы могут выполнять движения самостоятельно, демонстрируя удивительную скорость и силу. Кредит: МБЭС
Таким образом, созданные биоботы, состоящие из мышечных клеток, могут двигаться подобно червям или рыбам, могут реагировать на электрические стимулы и развивают значительные силы, плавая с высокой скоростью, подобно рыбам.
Исследования подтвердили, что помимо способности «самообучаться», биогибридный робот-пловец, созданный на клетках скелетных мышц, может передвигался со скоростью в 791 раз быстрее, чем известные на сегодняшний день биоботы на основе скелетных мышц.
Но эти новые биоботы также могут выполнять и другие движения: они могут двигаться даже по берегу (когда их помещали рядом с водоемом), что напоминало стиль движения некоторых рыб.
Интересное размышление: когда роботы-курьеры заменят живых людей?
Работа ученых открывает возможности для нового поколения более сильных и быстрых биологических роботов на основе мышечных клеток, представляющих интерес как с точки зрения охраны окружающей среды, так и с точки зрения доставки лекарств, а также для разработки бионического протезирования. В биомедицине возможность печати таких трехмерных моделей с человеческими мышцами дает возможность использовать эти высокофункциональные устройства для перспективных медицинских целей.
Источник: Журнал «Наука и Техника» https://naukatehnika.com/
