Biohibridiniai Robotai, Sukurti Iš Gyvo Audinio, Pradeda Formuotis

{h1}

Robotai, kurie yra „veržliarakčiai ir varžtai“, nėra tinkami. Inžinieriai kuria minkštas gyvas mašinas, maitinamas raumenų ląstelių.

Šis straipsnis iš pradžių buvo išspausdintas „The Conversation“. Leidinys pridėjo straipsnį „WordsSideKick.com“ ekspertų balsams: „Op-Ed & Insights“.

Pagalvokite apie tradicinį robotą ir tikriausiai įsivaizduojate ką nors pagamintą iš metalo ir plastiko. Tokie „veržlių ir varžtų“ robotai yra pagaminti iš kietų medžiagų. Robotams atliekant daugiau vaidmenų už laboratorijos ribų, tokios nelanksčios sistemos gali kelti pavojų saugai žmonėms, su kuriais jie bendrauja. Pvz., Jei pramoninis robotas pasislenka į žmogų, kyla sumušimų ar kaulų pažeidimo pavojus.

Tyrėjai vis dažniau ieško sprendimų, kaip padaryti robotus minkštesnius ar labiau suderinamus - mažiau kaip griežtos mašinos, labiau panašūs į gyvūnus. Naudojant tradicines pavaras, tokias kaip varikliai, tai gali reikšti oro raumenų naudojimą arba spyruoklių pridėjimą lygiagrečiai varikliams. Pvz., „Whegs“ robote spyruoklę tarp variklio ir rato kojos (Wheg) reiškia, kad jei robotas įbėga į ką nors (kaip žmogus), spyruoklė sugeria dalį energijos, kad žmogus nesusižeistų. „Roomba“ siurbiamojo roboto buferis yra dar vienas pavyzdys; jis yra pavasarį pakrautas, todėl „Roomba“ nepažeidžia daiktų, į kuriuos įsirėžė.

Tačiau auga tyrimų sritis, kurių požiūris kitoks. Derindami robotiką su audinių inžinerija, mes pradedame kurti robotus, maitinamus gyvu raumenų audiniu ar ląstelėmis. Šiuos įtaisus galima stimuliuoti elektra arba šviesa, kad ląstelės susitrauktų, kad sulenktų savo griaučius, todėl robotas gali plaukti ar slinkti. Gauti biobotai gali judėti ir yra minkšti kaip gyvūnai. Jie yra saugesni aplink žmones ir paprastai yra mažiau kenksmingi aplinkai, kurioje dirba, nei tradicinis robotas. Ir kadangi, kaip ir gyvūnams, raumenims maitinti reikalingos maistinės medžiagos, o ne baterijos, biohibridiniai robotai taip pat linkę būti lengvesni.

Audinių inžinerijos būdu sukurti biocitai ant titano formų.

Audinių inžinerijos būdu sukurti biocitai ant titano formų.

Kreditas: Karaghenas Hudsonas ir „Sung-Jin Park“, CC BY-ND

Bioboto statyba

Tyrėjai gamina biobotus augindami gyvas ląsteles, dažniausiai iš žiurkių ar vištų širdies ar griaučių raumenų, ant pastolių, kurie nėra toksiški ląstelėms. Jei substratas yra polimeras, sukurtas prietaisas yra biologinis hibridas - hibridas tarp natūralių ir žmogaus pagamintų medžiagų.

Jei jūs tiesiog įdėsite ląsteles ant suformuoto skeleto be jokių nurodymų, jie suksis atsitiktine kryptimi. Tai reiškia, kad kai tyrėjai naudoja elektrą, kad jos judėtų, ląstelių susitraukimo jėgos bus naudojamos visomis kryptimis, o prietaisas geriausiu atveju taps neefektyvus.

Taigi, norėdami geriau panaudoti ląstelių galią, tyrėjai kreipiasi į mikroįtampą. Mes antspauduojame arba atspausdiname mikroskalų linijas ant skeleto, pagaminto iš medžiagų, prie kurių ląstelės mieliau prisijungia. Šios linijos nukreipia ląsteles taip, kad augant jos sulygiuotų pagal spausdintą modelį. Kai visos ląstelės yra išdėstytos, tyrėjai gali nurodyti, kaip substratas veikia jų susitraukimo jėgą. Taigi, o ne tik netvarkingas kameros šaudymas, jie visi gali dirbti kartu, kad judėtų prietaiso koja ar peleku.

Audinių inžinerijos būdu sukurtas minkštas robotinis spindulys, valdomas šviesa.

Audinių inžinerijos būdu sukurtas minkštas robotinis spindulys, valdomas šviesa.

Kreditas: Karaghenas Hudsonas ir Michaelas Rosnachas, CC BY-ND

Biohibridiniai robotai, įkvėpti gyvūnų

Be plataus biohibridinių robotų asortimento, tyrėjai sukūrė net keletą visiškai ekologiškų robotų, kuriuose naudojamos natūralios medžiagos, pavyzdžiui, odoje esantis kolagenas, o ne prietaiso korpuso polimerai. Kai kurie gali slinkti ar plaukti, kai juos stimuliuoja elektrinis laukas. Kai kurie semiasi įkvėpimo iš medicininių audinių inžinerijos metodų ir pasitraukia į priekį naudodamiesi ilgomis stačiakampėmis rankomis (arba kaniulėmis).

Kiti savo užuominas paėmė iš gamtos, sukurdami biologiškai įkvėptus biohibridus. Pavyzdžiui, Kalifornijos technologijos instituto tyrėjų vadovaujama grupė sukūrė biohibridinį robotą, įkvėptą medūzos. Šis prietaisas, kurį jie vadina medusoidu, turi rankas, išdėstytas apskritime. Kiekviena ranka yra mikrotvirtinta baltymų linijomis, kad ląstelės augtų panašiai kaip gyvos medūzos raumenys. Kai ląstelės susitraukia, rankos pasilenkia į vidų ir varo biohibridinį robotą į skystį, kuriame yra daug maistinių medžiagų.

Visai neseniai mokslininkai pademonstravo, kaip valdyti savo biohibridinius kūrinius. Grupė Harvarde panaudojo genetiškai modifikuotas širdies ląsteles, kad biologiškai įkvėptas manta spindulio formos robotas galėtų plaukti. Širdies ląstelės buvo pakeistos, kad susitrauktų, reaguodamos į specifinius šviesos dažnius - vienoje spindulio pusėje buvo ląstelės, kurios reaguotų į vieną dažnį, kitos pusės ląstelės reaguotų į kitą.

Kai tyrėjai apšvietė roboto priekinę dalį, ten esančios ląstelės susitraukė ir pasiuntė elektrinius signalus į ląsteles toliau išilgai manta spindulio kūno. Susitraukimas pasklistų roboto kūnu žemyn, prietaisą judindamas į priekį. Tyrėjai galėjo priversti robotą pasisukti į dešinę arba į kairę, keičiant jų naudojamos šviesos dažnį. Jei jie apšviestų daugiau dažnio, į kurį reaguotų vienos pusės ląstelės, šviesos susitraukimai toje manta spindulio pusėje būtų stipresni, o tai leistų tyrėjams valdyti roboto judesį.

Griežtinant biobotus

Biohibridinės robotikos srityje padaryta įdomių pokyčių, tačiau dar reikia nemažai nuveikti, kad prietaisai būtų iš laboratorijos. Šiuo metu prietaisų eksploatavimo laikas yra ribotas, o jėgos našumas yra mažas, todėl jų greitis ir galimybės atlikti užduotis yra ribotos. Robotai, pagaminti iš žinduolių ar paukščių ląstelių, labai išrankūs apie savo aplinkos sąlygas. Pavyzdžiui, aplinkos temperatūra turi būti artima biologinei kūno temperatūrai, o ląsteles reikia reguliariai šerti skysčiu, kuriame yra daug maistinių medžiagų. Viena iš galimų priemonių yra pakuoti prietaisus taip, kad raumuo būtų apsaugotas nuo išorinės aplinkos ir nuolat maudomas maistinėmis medžiagomis.

Jūrų vėžlių įkvėptas biohibridinis robotas, maitinamas iš jūros šliužo raumenų.

Jūrų vėžlių įkvėptas biohibridinis robotas, maitinamas iš jūros šliužo raumenų.

Kreditas: Dr. Andrew Horchleris, CC BY-ND

Mes sugebėjome naudoti Alysija audinių, kad būtų galima suaktyvinti biohibridinį robotą, ir tai rodo, kad mes galime gaminti griežtesnius biobotus, naudodami šiuos elastingus audinius. Įrenginiai yra pakankamai dideli, kad galėtų gabenti mažą naudingą krovinį - maždaug 1,5 colio ilgio ir vieno colio pločio.

Kitas iššūkis kuriant biobotus yra tas, kad šiuo metu įrenginiuose nėra jokios borto valdymo sistemos. Inžinieriai juos kontroliuoja per išorinius elektrinius laukus ar šviesą. Norint sukurti visiškai autonominius biohibridinius įrenginius, mums reikės valdiklių, kurie tiesiogiai sąveikauja su raumenimis ir teikia jutimo signalus pačiam biohibridiniam robotui. Viena iš galimybių - naudoti organinius valdiklius neuronus ar neuronų grupes, vadinamus ganglijomis.

Tai dar viena priežastis, dėl kurios džiaugiamės naudojimu Alysija mūsų laboratorijoje. Šis jūros šliužas dešimtmečiais buvo pavyzdinė neurobiologijos tyrimų sistema. Jau daug žinoma apie ryšius tarp jo nervų sistemos ir jo raumenų - atveriama galimybė, kad mes galime naudoti jo neuronus kaip organinius valdiklius, galinčius pasakyti robotui, kuriuo keliu judėti, ir padėti jam atlikti užduotis, pavyzdžiui, rasti toksinus ar sekti šviesa.

Nors laukas dar tik pradinėje stadijoje, tyrėjai įsivaizduoja daugybę intriguojančių biohibridinių robotų pritaikymo būdų. Pvz., Mūsų mažyčiai prietaisai, naudojantys šliužinius audinius, galėtų būti paleisti spiečiais į vandens tiekimą ar vandenyną, kad būtų galima ieškoti toksinų ar nutekėjusių vamzdžių. Dėl biologinio prietaisų suderinamumo, jei jie sugenda ar yra suvalgyti laukinės gamtos, šie aplinkos jutikliai teoriškai nekeltų tokios pačios grėsmės aplinkai kaip tradiciniai veržlių ir varžtų robotai.

Vieną dieną prietaisai galėjo būti gaminami iš žmogaus ląstelių ir naudojami medicinoje. Biobotai galėtų suteikti tikslingą narkotikų tiekimą, išvalyti krešulius arba tarnauti kaip tinkami veikiami stentai. Naudojant organinius substratus, o ne polimerus, tokie stentai galėtų būti naudojami silpnoms kraujagyslėms stiprinti, kad būtų išvengta aneurizmų - ir laikui bėgant prietaisas bus pertvarkytas ir integruotas į kūną. Be šiuo metu kuriamų nedidelio masto biologinių hibridinių robotų, vykdomi audinių inžinerijos tyrimai, pavyzdžiui, bandymai auginti kraujagyslių sistemas, gali suteikti galimybę auginti didelio masto robotus, kuriuos veikia raumenys.

Viktorija Webster, Ph.D. Kandidatas į mechanikos ir aviacijos inžineriją, „Case Western Reserve“ universitetas

Šis straipsnis iš pradžių buvo išspausdintas „The Conversation“. Perskaitykite originalų straipsnį. Sekite visas „Expert Voices“ problemas ir diskusijas - ir tapkite diskusijos dalimi „Facebook“, „Twitter“ ir „Google +“. Išreikštos autoriaus nuomonės ir nebūtinai atspindinčios leidėjo nuomones. Ši straipsnio versija iš pradžių buvo paskelbta „WordsSideKick.com“.


Vaizdo Papildas: .




Tyrimas


Ekologiška Įmonė Pristato „Gamta“ Pakavimo Žemės Riešutus
Ekologiška Įmonė Pristato „Gamta“ Pakavimo Žemės Riešutus

Skrydžio Laiko Juostos Aušra
Skrydžio Laiko Juostos Aušra

Mokslas Naujienos


Šlapias Klimatas Galėjo Paskatinti Mongolų Invaziją
Šlapias Klimatas Galėjo Paskatinti Mongolų Invaziją

1 Iš 45 Jav Vaikų Turi Autizmo Spektro Sutrikimą
1 Iš 45 Jav Vaikų Turi Autizmo Spektro Sutrikimą

Antibiotikai Nepašalina Sinusų Infekcijų
Antibiotikai Nepašalina Sinusų Infekcijų

Jūros Vabzdžiai Neteisingai Kaltinami Čiulpti Dino Kraują
Jūros Vabzdžiai Neteisingai Kaltinami Čiulpti Dino Kraują

Ar Vis Dar Egzistuoja Dinozaurai?
Ar Vis Dar Egzistuoja Dinozaurai?


LT.WordsSideKick.com
Visos Teisės Saugomos!
Dauginti Jokių Medžiagų Leidžiama Tik Prostanovkoy Aktyvią Nuorodą Į Svetainę LT.WordsSideKick.com

© 2005–2020 LT.WordsSideKick.com