Biohübriid-Robotid, Mis On Valmistatud Eluskoest Moodustama Hakata

{h1}

Et teha töökohti "mutrid ja poldid" robotid ei ole hea, insenerid luuakse pehmete elu masinad powered by lihasrakkude.

See artikkel ilmus algselt välja The Conversation. Väljaandes osales artikkel WordsSideKick.com'i ekspertkõnede jaoks: Op-Ed & Insights.

Mõelge traditsioonilisele robotile ja arvatavasti kujutad ette midagi metallist ja plastist tehtud. Sellised "mutrite ja poltide" robotid on valmistatud kõvadest materjalidest. Kuna robotid võtavad rohkem töökohti üle labori, võivad sellised jäigad süsteemid ohustada inimesi, kellega nad suhelda, ohtu. Näiteks, kui tööstuslik robot pöörab inimesele, tekib verevalumid või luukahjustus.

Teadlased otsivad üha rohkem lahendusi, et muuta robotid pehmemaks või sobivamaks - vähem nagu jäigad masinad, rohkem nagu loomad. Traditsiooniliste täiturmehhanismidega - näiteks mootoritega - see võib tähendada õhulihaste kasutamist või vedrude lisamist paralleelselt mootoriga. Näiteks on vendrobotil, millel on vedru mootori ja rattajou vahel (Wheg), tähendab, et kui robot satub midagi (nagu inimene), võtab kevadel osa energiast, nii et inimene ei ole haiget tekitanud. Roomba tolmuimeja robot kaitseraua on veel üks näide; see on vedruga koormatud, nii et Roomba ei kahjusta asju, mida see muljetab.

Kuid üha kasvav teadusuuringute valdkond on erinev lähenemisviis. Kombineerides roboteid koos koetehnoloogiaga, hakkame ehitama eluslihaskoe või -rakkude abil töötavaid roboteid. Neid seadmeid saab stimuleerida elektriliselt või valguse abil, et rakud kokku leppiksid oma skeletid, põhjustades roboti ujumise või indekseerimise. Saadud biobotsid võivad liikuda ja olla pehmed nagu loomad. Nad on inimestele ohutumad ja tavaliselt vähem kahjulikud keskkonda, mida nad töötavad, kui traditsiooniline robot võib olla. Ja kuna loomad vajavad toitaineid nende lihaste, mitte patareide võimsana, biohübriidrobotid kipuvad olema ka kergemad.

Titaanist vormidesse koetehnoloogilised bioobid.

Titaanist vormidesse koetehnoloogilised bioobid.

Krediit: Karaghen Hudson ja Sung-Jin Park, CC BY-ND

Bioboodi loomine

Teadlased valmistavad biobotsi välja, kasvatades elusrakke, tavaliselt rakkude või kanade südames või skeletilihastes, rakkudele, mis ei ole toksilised rakkudele. Kui substraat on polümeer, on loodud seade biohübriidroboti - hübriid looduslike ja inimese valmistatud materjalide vahel.

Kui asetate rakud lihtsalt vormitud skeletile ilma juhisteta, siis nad juhuslike suundumuste tõttu lõpevad. See tähendab, et kui teadlased kasutavad elektrit, et need liiguksid, rakendatakse rakkude kokkutõmbejõude kõikides suundades, muutes seade kõige paremini ebaefektiivseks.

Selleks, et paremini rakkude võimsust rakendada, pöörduvad teadlased mikropatternide poole. Pitsameerime või printime mikroskoone jooni skeletis, mis on valmistatud ainetest, mida rakud eelistavad kinnitada. Need jooned suunavad rakke nii, et kui nad kasvavad, joonduvad nad trükitud mustriga. Kui kõik rakud on üles ehitatud, saavad teadlased otsustada, kuidas substraadile rakendatakse nende kokkutõmbejõudu. Selle asemel, et lihtsalt tulistada rakke, võivad kõik ühtselt töötada seadme jala või serva liigutamiseks.

Tissuehitatud pehme robotkiirgus, mis on valgustatud.

Tissuehitatud pehme robotkiirgus, mis on valgustatud.

Krediit: Karaghen Hudson ja Michael Rosnach, CC BY-ND

Loomade inspireeritud biohübriidrobotid

Lisaks mitmesugustele biohübriidrobotitele on teadlased isegi loonud mõne täiesti orgaanilise roboti, mis kasutavad looduslikke materjale, nagu naha kollageen, mitte seadme keha polümeere. Mõned saavad elektrivälja stimuleerituna indekseerida või ujuda. Mõned võtavad inspiratsiooni meditsiinilisest koetehnoloogia tehnikast ja kasutavad pikki ristkülikukujulisi käiku (või kantiliite), et end edasi tõmmata.

Teised on võtnud looduselt märke, luues bioloogiliselt inspireeritud biohübriidid. Näiteks moodustas California Tehnoloogiainstituudi uurijate juhitud rühm biokütri robot, mis on inspireeritud meduudist. Selles seadmes, mida nad nimetavad medusoidiks, on ringe asetatud relvad. Iga käer on mikropatterned valgujoontega, nii et rakud kasvavad elustikus kasutatavate lihastega sarnastel mustritel. Kui rakud kokku lepivad, liiguvad käed sissepoole, stimuleerides biohübriidroboti edasi toitainete rikastes vedelikes.

Hiljuti on teadlased näidanud, kuidas juhtida oma biohübriidi loomingut. Harvardi grupp kasutas geneetiliselt muundatud südame rakke, et teha bioloogiliselt inspireeritud manta-ray-kujuline robot ujuda. Vastuseks konkreetsele valguse sagedusele muudeti südame rakke, et nad vastasid konkreetsele valguse sagedusele - ühel pool ray oli rakke, mis reageerisid ühele sagedusele, teisel pool rakud vastasid teisele.

Kui teadlased hakkasid roboti esiküljel valgust põlema, lahkusid rakud ja saatsid elektrisignaalid rakkudele edasi manta ray-i kehas. Kokkupõrke korral levib roboti keha, liigutades seade edasi. Teadlased võivad muuta robot pöörde paremale või vasakule, muutes kasutatud valguse sagedust. Kui nad valgustasid sagedamini valgusid, mis ühel küljel reageerivad, siis oleksid manta-raami sellel küljel kokkutõmbed tugevamad, võimaldades teadlastel roboti liikumist juhtida.

Biobotsi karmistamine

Kuigi biohübriidrobootika valdkonnas on tehtud põnevaid arenguid, on seadmete väljastamiseks laborist ikkagi märkimisväärne töö. Seadmel on praegu piiratud eluea pikkused ja madal jõud väljundeid, piirates nende kiirust ja võime täita ülesandeid. Imetajate või linnurakkude robotid on nende keskkonnatingimuste suhtes väga erksad.Näiteks peab ümbritsev temperatuur olema bioloogilise kehatemperatuuri lähedal ja rakud vajavad regulaarselt toitainete rikka vedelikku. Üks võimalik lahendus on seadmete pakendamine nii, et lihased oleksid väliskeskkonnast kaitstud ja pidevalt pestud toitainetes.

Merekilpkonnaga inspireeritud biohübriidroboti, mis on varustatud lihasega merepõhjast.

Merekilpkonnaga inspireeritud biohübriidroboti, mis on varustatud lihasega merepõhjast.

Krediit: Dr Andrew Horchler, CC BY-ND

Oleme suutnud seda kasutada Aplysia biohübriidroboti käivitamine, mis viitab sellele, et suudame valmistada neid elastseid kudesid kasutades karmimaid bioobasid. Seadmed on piisavalt suured, et kanda väikest kandevõimet - umbes 1,5 tolli pikk ja üks tolli lai.

Biobotsi väljaarendamisel on veel üks väljakutse, et seadmetel pole praegu mingit rongisisest juhtseadet. Selle asemel insenerid juhivad neid välise elektrivälja või valguse kaudu. Selleks, et arendada täiesti autonoomsed biohübriidseadmed, vajame kontrollereid, mis liidesega otseselt liiduvad ja annavad biohübriidroboti enda jaoks sensoorse sisendi. Üks võimalus on kasutada ganglia närvirakke või neuronite klotse kui orgaanilisi kontrollereid.

See on veel üks põhjus, miks meid on väga põnevil Aplysia meie laboris. See merepõhja on tuhandeid aastaid olnud neurobioloogiliste uuringute mudeli süsteem. Närvisüsteemi ja selle lihaste vahelisi suhteid on juba palju teada - avasime võimaluse, et saaksime oma neuroneid kasutada looduslike kontrolleritega, mis võiksid robotile teada anda, kuidas liikuda ja aidata tal täita selliseid ülesandeid nagu toksiinide leidmine või järgimine valgus.

Kuigi väli on veel lapsekingades, näevad teadlased palju biohübriidrobotite jaoks intrigeerivaid rakendusi. Näiteks meie väikesed seadmed, mis kasutavad libukudet, võivad vabaneda veekogudena või ookeanina, et otsida toksiine või lekkida torusid. Seadmete bioloogiliselt kokkusobivuse tõttu, kui nad lagunevad või metsloomad söövad, ei kujuta need keskkonnaandurid teoreetiliselt keskkonda sama ohtu, kui traditsioonilised mutrid ja rotid oleksid.

Ühel päeval võib seadmeid valmistada inimrakkudest ja kasutada meditsiinilistel eesmärkidel. Biobotsid võivad pakkuda sihipärase ravimi manustamist, puhastada hüübimist või olla sobivate aktiveeritavate stentidega. Kasutades pigem orgaanilisi substraate, mitte polümeere, võib selliseid stente kasutada nõrkade veresoonte tugevdamiseks, et vältida aneurüsmi - ja aja jooksul seadet ümber ja kehasse integreerida. Praegu väljatöötamisel olevate väikesemahuliste biohübriidrobotite puhul võivad koetehnoloogia käimasolevad uuringud, näiteks veresoonte süsteemide kasvatamise katsed, avada võimaluse kasvada suuremahulisi lihaseid aktiveerivaid roboteid.

Victoria Webster, Ph.D. Mehhaanilise ja Aerospace Engineering kandidaat Case Western Reserve'i ülikool

See artikkel oli algselt avaldatud "Vestlus". Lugege esialgset artiklit. Järgige kõiki Expert Voice'i teemasid ja arutelude teemasid - ja muutuge arutelu osaks - Facebookis, Twitteris ja Google +. Esitatud seisukohad on autorite sõnad ja need ei pruugi kajastada kirjastaja vaateid. See artikli versioon avaldati algselt WordsSideKick.com'is.


Video Täiendada: .




ET.WordsSideKick.com
Kõik Õigused Reserveeritud!
Mistahes Materjalide Reprodutseerimine Lubatud Ainult Prostanovkoy Aktiivne Link Saidile ET.WordsSideKick.com

© 2005–2019 ET.WordsSideKick.com