Плавающие живые роботы могут самообучаться

Робототехники стремятся имитировать то, чего достигли естественные биологические объекты — такие действия, как движение, адаптация к окружающей среде или восприятие. Помимо традиционных жестких роботов, недавно появилась область мягкой робототехники, использующая податливые, гибкие материалы, способные адаптироваться к окружающей среде более эффективно, чем жесткие. С этой целью ученые работают в области биогибридных роботов или биоботов. Обычно они состоят из мышечной ткани, сердечной или скелетной, и искусственного каркаса, с помощью которого можно ползать, хватать или плавать. К сожалению, современные биоботы не могут подражать физическим существам в плане подвижности и силы.

Исследователи преодолели обе проблемы, используя инструменты биоинженерии. Они применили 3D-биопечать и инженерный дизайн для разработки биоботов сантиметрового диапазона, которые могут плавать и перемещаться по берегу, как рыбы, с беспрецедентной скоростью. Ключевым моментом является использование спонтанного сокращения материалов на основе мышечных клеток с очень податливым скелетом.

Вместо того, чтобы работать с жесткими или привязанными лесами для подготовки искусственных роботов, исследователи использовали биологических роботов на основе гибкой змеевидной пружины, изготовленной из полимера под названием PDMS, который был разработан и оптимизирован с помощью моделирования, а затем напечатан с использованием технологии 3D-печати. Преимущество этого инновационного каркаса заключается в улучшенной тренировке и развитии ткани за счет механической самостимуляции при спонтанных сокращениях, которая создает петлю обратной связи благодаря восстанавливающей силе пружины. Это событие самообучения приводит к усилению срабатывания и большей силе сокращения. Такие змеевидные пружины ранее не включались в мягкую роботизированную живую систему. Помимо способности к самообучению, биогибридные пловцы на основе клеток скелетных мышц двигались со скоростью в 791 раз быстрее, чем современные биоботы на основе скелетных мышц, и были сопоставимы с другими биопловцами на основе кардиомиоцитов (на основе клеток сердца).

Новые биоботы могли выполнять и другие движения. Они могли двигаться по инерции, когда находились у поверхности дна, что напоминало стиль плавания некоторых рыб, характеризующийся спорадическими всплесками, за которыми следовали фазы движения по инерции.

Эта работа также может применяться для доставки лекарств и разработки бионических протезов.