Roboții Biohidrati Construiți Din Țesutul Viu Încep Să Ia Formă

{h1}

Pentru a face treabă roboții cu piulițe nu sunt bune, inginerii creează mașini de viață moale, alimentate de celulele musculare.

Acest articol a fost publicat inițial la The Conversation. Publicația a contribuit articolul la WordsSideKick.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.

Gândește-te la un robot tradițional și probabil îți imaginezi ceva fabricat din metal și plastic. Astfel de roboți „piulițe și piulițe” sunt fabricate din materiale dure. Pe măsură ce roboții preiau mai multe roluri dincolo de laborator, astfel de sisteme rigide pot prezenta riscuri de siguranță pentru persoanele cu care interacționează. De exemplu, dacă un robot industrial se leagănă de o persoană, există riscul de vânătăi sau leziuni osoase.

Cercetătorii caută din ce în ce mai multe soluții pentru ca roboții să fie mai moi sau mai conformi - mai puțin ca mașinile rigide, mai mult ca animalele. Cu actuatoarele tradiționale - cum ar fi motoarele - acest lucru poate însemna utilizarea mușchilor de aer sau adăugarea arcurilor în paralel cu motoarele. De exemplu, pe un robot Whegs, având un arc între un motor și piciorul roții (Wheg) înseamnă că, dacă robotul intră în ceva (ca o persoană), resortul absoarbe o parte din energie, astfel încât persoana nu este rănită. Bara de protecție de pe un robot Roomba aspirant este un alt exemplu; este plin de primăvară, astfel încât Roomba nu dăunează lucrurilor în care se prăbușește.

Dar există o zonă de cercetare din ce în ce mai mare, care adoptă o abordare diferită. Combinând robotica cu ingineria țesuturilor, începem să construim roboți alimentați de țesut muscular sau celule vii. Aceste dispozitive pot fi stimulate electric sau cu lumină pentru a face celulele să se contracte pentru a-și îndoi scheletele, determinând robotul să înoate sau să se târască. Bioboturile rezultate se pot deplasa și sunt moi ca animalele. Sunt mai în siguranță în jurul oamenilor și de obicei mai puțin dăunătoare mediului în care lucrează decât ar putea fi un robot tradițional. Și întrucât, la fel ca animalele, au nevoie de nutrienți pentru a-și alimenta mușchii, nu bateriile, roboții biohidrati tind să fie și mai ușori.

Bioboturi concepute pe țesut pe matrițele din titan.

Bioboturi concepute pe țesut pe matrițele din titan.

Construirea unui biotot

Cercetătorii fabrică bioboturi prin creșterea celulelor vii, de obicei din inimă sau mușchi scheletici de șobolani sau pui, pe schele care nu sunt toxice pentru celule. Dacă substratul este un polimer, dispozitivul creat este un robot biohidric - un hibrid între materialele naturale și cele umane.

Dacă așezați celulele pe un schelet modelat, fără niciun fel de îndrumări, acestea se vor orienta în mod aleatoriu. Asta înseamnă că atunci când cercetătorii aplică electricitate pentru a le face să se miște, forțele de contracție ale celulelor vor fi aplicate în toate direcțiile, ceea ce va face dispozitivul ineficient în cel mai bun caz.

Deci, pentru a valorifica mai bine puterea celulelor, cercetătorii apelează la micropatterning. Ștampilăm sau imprimăm linii la microscop pe scheletul format din substanțe pe care celulele preferă să le atașeze. Aceste linii ghidează celulele astfel încât pe măsură ce cresc, acestea se aliniază de-a lungul modelului tipărit. Cu celulele aliniate, cercetătorii pot direcționa modul în care forța lor de contracție este aplicată pe substrat. Deci, mai degrabă decât o simplă mizerie de celule de tragere, toate pot lucra la unison pentru a muta un picior sau o aripioară a dispozitivului.

Raza moale robotizată moale, care este controlată cu lumină.

Raza moale robotizată moale, care este controlată cu lumină.

Roboti biohidrati inspirati de animale

Dincolo de o gamă largă de roboți biohidrati, cercetătorii au creat chiar niște roboți complet organici folosind materiale naturale, cum ar fi colagenul din piele, mai degrabă decât polimeri pentru corpul dispozitivului. Unii se pot târâi sau înota atunci când sunt stimulați de un câmp electric. Unii se inspiră din tehnicile de inginerie a țesuturilor medicale și folosesc brațe dreptunghiulare lungi (sau rafturi) pentru a trage în față.

Alții și-au luat semne din natură, creând biohibrizi inspirați biologic. De exemplu, un grup condus de cercetătorii de la Institutul Tehnologic din California a dezvoltat un robot biohidric inspirat de meduză. Acest dispozitiv, pe care îl numesc medusoid, are brațele dispuse în cerc. Fiecare braț este micropatternat cu linii de proteine, astfel încât celulele să crească în tipare similare cu mușchii unui meduz viu. Când celulele se contractă, brațele se îndoaie spre interior, propulsând robotul biohidric înainte în lichid bogat în nutrienți.

Mai recent, cercetătorii au demonstrat cum să-și orienteze creațiile biohidrice. Un grup de la Harvard a folosit celule cardiace modificate genetic pentru a face un robot manta inspirat biologic în formă de rază. Celulele inimii au fost modificate pentru a se contracta ca răspuns la frecvențe specifice de lumină - o parte a razei avea celule care ar răspunde la o frecvență, celulele celuilalt au răspuns la alta.

Când cercetătorii au strălucit în fața robotului, celulele de acolo s-au contractat și au trimis semnale electrice către celule mai departe de-a lungul corpului razei manta. Contracția se va propaga în jos pe corpul robotului, îndreptând dispozitivul înainte. Cercetătorii ar putea face robotul să se întoarcă la dreapta sau la stânga, variind frecvența luminii pe care o foloseau. Dacă ar străluci mai multă frecvență la care ar răspunde celulele de pe o parte, contracțiile din acea parte a razei manta ar fi mai puternice, permițând cercetătorilor să conducă mișcarea robotului.

Îmbunătățirea bioboturilor

Cu toate că s-au făcut dezvoltări interesante în domeniul roboticii biohidrice, există încă o muncă semnificativă pentru a scoate dispozitivele din laborator. Dispozitivele au în prezent planuri de viață limitate și ieșiri cu forță redusă, limitându-le viteza și capacitatea de a finaliza sarcini. Roboții obținuți din celule mamifere sau aviare sunt foarte buni în ceea ce privește condițiile lor de mediu. De exemplu, temperatura mediului ambiant trebuie să fie aproape de temperatura corpului biologic, iar celulele necesită o alimentare regulată cu lichid bogat în nutrienți. Un posibil remediu este să împachetezi dispozitivele astfel încât mușchiul să fie protejat de mediul extern și scăldat constant în nutrienți.

Robot biohibrid inspirat de broască țestoasă de mare, alimentat de mușchi din balaurul mării.

Robot biohibrid inspirat de broască țestoasă de mare, alimentat de mușchi din balaurul mării.

Am putut să folosim Aplysia țesut pentru a acționa un robot biohibrid, sugerând că putem produce biobote mai dure folosind aceste țesuturi rezistente. Dispozitivele sunt suficient de mari pentru a transporta o sarcină utilă mică - aproximativ 1,5 cm lungime și un inalt lățime.

O provocare suplimentară în dezvoltarea de bioboturi este faptul că, în prezent, dispozitivele nu au niciun fel de sistem de control la bord. În schimb, inginerii le controlează prin câmpuri electrice externe sau prin lumină. Pentru a dezvolta dispozitive biohybride complet autonome, vom avea nevoie de controlere care să interfețeze direct cu mușchiul și să ofere aporturi senzoriale robotului biohibrid în sine. O posibilitate este de a utiliza neuroni sau grupuri de neuroni numiți ganglioni ca controlori organici.

Acesta este un alt motiv pentru care suntem încântați să folosim Aplysia în laboratorul nostru Această labă de mare a fost un sistem model de cercetare în neurobiologie de zeci de ani. Se știe deja foarte multe despre relațiile dintre sistemul său neuronal și mușchii săi - deschizând posibilitatea ca noi să putem folosi neuronii săi ca controlori organici care ar putea spune robotului care să se miște și să-l ajute să îndeplinească sarcini, precum găsirea toxinelor sau urmărirea o lumină.

În timp ce câmpul este încă la început, cercetătorii au în vedere multe aplicații intrigante pentru roboți biohybrid. De exemplu, dispozitivele noastre minuscule care folosesc țesut de slugă ar putea fi eliberate ca roiuri în aprovizionarea cu apă sau în ocean pentru a căuta toxine sau conducte de scurgere. Datorită biocompatibilității dispozitivelor, în cazul în care acestea se descompun sau sunt consumate de animale sălbatice, acești senzori de mediu teoretic nu ar reprezenta aceeași amenințare pentru mediul ar fi roboții tradiționali cu piulițe.

Într-o zi, dispozitivele ar putea fi fabricate din celule umane și utilizate pentru aplicații medicale. Biobot-urile ar putea asigura furnizarea de medicamente, curăța cheaguri sau pot servi drept stenturi de acțiune conforme. Folosind substraturi organice, mai degrabă decât polimeri, astfel de stenturi ar putea fi utilizate pentru a consolida vasele de sânge slabe pentru a preveni anevrismele - iar în timp dispozitivul va fi remodelat și integrat în corp. Dincolo de roboții biohidriști la scară mică care se dezvoltă în prezent, cercetările în curs de realizare a ingineriei țesuturilor, cum ar fi încercările de creștere a sistemelor vasculare, pot deschide posibilitatea creșterii roboților pe scară largă acționate de mușchi.

Victoria Webster, doctorat. Candidat în inginerie mecanică și aerospațială, Case Western Reserve University

Acest articol a fost publicat inițial pe The Conversation. Citiți articolul original. Urmăriți toate problemele și dezbaterile Expert Voices - și deveniți parte a discuției - pe Facebook, Twitter și Google +. Opiniile exprimate sunt cele ale autorului și nu reflectă neapărat opiniile editorului. Această versiune a articolului a fost publicată inițial pe WordsSideKick.com.






Descoperiri Științifice

Cercetare


Science News




Categorii Populare


RO.WordsSideKick.com
Toate Drepturile Rezervate!
Reproducerea Oricăror Materiale Permise Prostanovkoy Doar Link-Ul Activ La Site-Ul RO.WordsSideKick.com

© 2005–2019 RO.WordsSideKick.com