Аннотация:
Исследовательская группа из Шэньянского института автоматизации Китайской академии наук недавно разработала беспроводной, управляемый светом миниатюрный «робот-скат-манта», чьи плавники приводятся в движение настоящими скелетными мышцами, взятыми из ног лягушек-быков. В этом исследовании биологическая ткань используется непосредственно в качестве привода, что является передовым достижением в области биосинкретических роботов. Соответствующие результаты опубликованы в журнале «Advanced Functional Materials».
Исследовательская группа извлекла тонкую мышцу из ноги обыкновенной лягушки-быка в качестве привода. В оптимизированных условиях электростимуляции (1 Гц, 5 В, 10 мс на импульс) мышца может производить стабильную силу сокращения примерно 6,5 Н с амплитудой сокращения примерно 25%; при более сильной стимуляции пиковые силы могут достигать 9,4 Н. Ткань сохраняла электрическую чувствительность в течение 11 дней и могла надежно управлять роботом примерно семь дней.
В отличие от предыдущих протоколов, в которых использовалась лабораторная культура или реконструированная мышечная ткань, в этом исследовании непосредственно использовались естественно изолированные неповрежденные скелетные мышцы. Исследователи отметили, что натуральные мышечные волокна имеют высокоупорядоченную структуру, поэтому производительность сокращения значительно лучше, чем у мышечных пучков, реконструированных с помощью клеточной культуры. Однако недостаточная выходная сила всегда была ключевым узким местом, ограничивающим скорость и мобильность существующих роботов, приводимых в движение скелетными мышцами.
Чтобы избавиться от ограничений традиционных проводных систем электростимуляции, команда интегрировала фотоэлектрические модули из микроарсенида галлия (GaAs) в заднюю часть робота-ската манты и облучила его 808-нанометровым лазером ближнего инфракрасного диапазона. Фотоэлектрический блок преобразует световые сигналы в электрические сигналы и передает их нервам на поверхности мышц, вызывая сокращения; фотоэлектрические области на левой и правой сторонах могут быть независимо адресованы, а дифференцированное сокращение мышц с обеих сторон достигается за счет контроля времени и положения света, тем самым выполняя бескабельное управление, такое как вперед, поворот, круговые и U-образные повороты.
Что касается характеристик движения, средняя прямолинейная скорость робота-манта составляет 0,54 длины тела в секунду (около 2,7 см/с) и может достигать до 2 длин тела в секунду за короткий период времени. Исследовательская группа заявила, что это самая высокая относительная скорость движения биогибридного робота, приводимого в движение скелетными мышцами, о которой сообщалось до сих пор. Его минимальный радиус поворота составляет всего одну восьмую длины тела, максимальная угловая скорость достигает 21 градуса в секунду, а полный оборот занимает около 17 секунд. Помимо плавания по поверхности и плавания под водой с грузом (до 5 граммов), робот может даже двигаться по медленным поворотам на жестких поверхностях.
Исследователи заявили, что это первый случай, когда естественные изолированные скелетные мышцы были соединены с беспроводной фотоэлектрической системой стимуляции нервов, что подтвердило возможность использования естественной мышечной ткани в качестве высокоэффективного биологического актуатора. Этот технический путь не ограничивается конфигурацией ската манты: ожидается, что естественные мышечные приводы адаптируются к другим конструкциям робота, а «оптико-электрическая» схема беспроводного управления обеспечивает способ управления биологическими приводами без необходимости использования постоянных внешних проводов.
На уровне приложения команда считает, что этот тип небольшого робота с плавниковым приводом подходит для мониторинга мелководной среды и наблюдения за водной жизнью с минимальными помехами, а также может избежать помех, вызванных традиционными гребными винтами подводных роботов и жесткими механизмами. Кроме того, система электростимуляции, разработанная для поддержания эффективного сокращения изолированных мышц, также может служить экспериментальной основой для исследований в области реабилитации мышц in vitro и систем динамической тканевой инженерии после травм нервов.
На данный момент основным ограничением является продолжительность жизни биологической ткани и зависимость от внешней энергии: интегрированные мышцы могут надежно работать около 7 дней, а электрический ответ может длиться до 11 дней; Беспроводная стимуляция по-прежнему требует постоянного питания и управления внешним источником ближнего инфракрасного света. На следующем этапе команда планирует оптимизировать стратегии культивирования in vitro для увеличения продолжительности жизни мышц, разработать нейроподобные гибкие пленочные электроды для достижения более равномерного распределения электрического сигнала и попытаться объединить фотоэлектрические системы со встроенным хранилищем энергии, чтобы робот мог хранить собранную световую энергию и вызывать ее при необходимости, вместо того, чтобы полностью полагаться на освещение в реальном времени.
Комментарии