Самообучающиеся биогибридные плавющие роботы: продвижение адаптивной мягкой робототехники

Робототехники стремятся имитировать то, что достигли природные биологические сущности — действия вроде движения, адаптации к среде или сенсирования. Помимо традиционных жестких роботов, область мягкой робототехники недавно появилась, используя гибкие, податливые материалы, способные адаптироваться к своей среде эффективнее, чем жесткие. С этой целью ученые работали в области биогибридных роботов или био-ботов. Обычно они состоят из мышечной ткани, либо сердечной, либо скелетной, и искусственного каркаса, который может достигать ползания, захвата или плавания. К сожалению, текущие био-боты не могут эмулировать производительность природных сущностей в терминах подвижности и силы.

Исследователи преодолели обе проблемы, используя инструменты биоинженерии. Они применили 3D-биопечать и инженерный дизайн для разработки био-ботов в сантиметровом диапазоне, которые могут плыть и скользить как рыбы с беспрецедентными скоростями. Ключ — использование спонтанного сокращения материалов на основе мышечных клеток с очень податливым скелетом.

Вместо работы с жесткими или привязанными каркасами для подготовки искусственных роботов, исследователи использовали биологических роботов на основе гибкой змеевидной пружины из полимера PDMS, который был спроектирован и оптимизирован через симуляции и затем напечатан с помощью 3D-печати. Преимущество этого инновационного каркаса заключается в улучшенном обучении и развитии ткани через механическую само-стимуляцию при спонтанных сокращениях, что создает цикл обратной связи благодаря восстанавливающей силе пружины. Это событие самообучения приводит к усиленному актуации и большей силе сокращения. Такие змеевидные пружины ранее не включались в мягкую роботизированную живую систему. Помимо способности к самообучению, биогибридные пловцы на основе скелетных мышечных клеток двигались со скоростью в 791 раз быстрее текущих скелетно-мышечных био-ботов и были сравнимы с другими кардиомиоцитными био-пловцами (на основе сердечных клеток).

Новые био-боты также могли выполнять другие движения. Они могли скользить, когда помещались возле донной поверхности, напоминая стиль плавания определенных рыб, характеризующийся спорадическими рывками, сменяющимися фазами скольжения.

Работа также имеет применения в доставке лекарств и разработке бионических протезов.