Идея включения реальных мышц или нейронов в роботизированную систему может звучать как научная фантастика, но исследователи факультета машиностроения Университета Карнеги-Меллона предпринимают шаги, чтобы воплотить ее в жизнь.

Эта область, известная как биогибридная робототехника, находится в центре внимания Группы биогибридной и органической робототехники (BORG), возглавляемой Викторией Вебстер-Вуд, доцентом кафедры машиностроения.

«Наша конечная цель — иметь возможность использовать биологические материалы в качестве инженерных материалов в робототехнике для создания возобновляемых, биоразлагаемых роботов», — говорит она.

В статье, опубликованной в Журнале биомедицинской инженерии , доктор философии. Студент Вэньхуань Сунь стремился лучше понять, как изготавливать материальные нити для использования в этих специальных роботах. Нити состоят из коллагена, природного белка, который содержится в структурных тканях, таких как кожа, связки и сухожилия.

По сути, цель этого исследования заключалась в том, чтобы лучше понять, как сделать искусственное сухожилие для использования на роботе. В нашем теле сухожилия соединяют мышцы с костью, и они довольно сильны. Это означает, что эти коллагеновые нити можно использовать для очень аналогичной цели в роботе, соединяя приводы живых мышц с роботом, помогая ему ходить, прыгать или плавать.

Но механические свойства материалов робота могут иметь большое влияние на рост и функционирование живых мышечных приводов.

Это означает, что Sun нужно будет не только понять, как лучше всего создать эти коллагеновые нити, но и изучить, как настроить их механические свойства. В зависимости от того, что вы хотите, чтобы ваш робот делал, вам может понадобиться материал, более похожий на мышцы или на сухожилия.

Нити Sun были созданы с использованием техники, называемой электрокомпактированием. Впервые он был разработан для использования в тканевой инженерии и сейчас дорабатывается такими группами, как BORG.коллаг

Чтобы создать нити, волокна коллагена проходят через особый тип ячейки, называемой ячейкойколлаг электрокомпакции, благодаря естественному заряду. В конечном итоге волокна уплотняются вместе, образуя электрохимически выровненные коллагеновые нити (ELAC).

Sun хотела выяснить, насколько можно настроить этот процесс уплотнения для создания различных потоков, чтобы разнообразить процесс изготовления в целом. Предыдущие работы в области тканевой инженерии в основном были сосредоточены на создании самых прочных, наиболее похожих на сухожилия нитей. Биогибридная робототехника требует немного больше нюансов и тонкости.

При первом уплотнении нити на удивление хрупкие, и с ними трудно работать, но они еще не так прочны, как натуральные сухожилия. Сунь рассказал о том, как сложно было поместить уплотненные нити в контейнер. «Из-за статического электричества вокруг пластикового контейнера нить хочет цепляться или прилипать к обеим сторонам стенок. Это очень усложняет задачу», — пояснил он.

Хотя нити могут быть довольно длинными — Sun создала нитку длиной до 40 сантиметров (около 15 дюймов), — они невероятно тонкие. Ширина варьировалась от 50 до 100 микрон, что примерно соответствует толщине человеческого волоса.

Со временем и практикой он смог провести серию экспериментов, определяющих, как набор производственных параметров влияет на полученную нить. Он также изучил взаимодействие между этими параметрами и смог достичь широкого диапазона настраиваемых свойств.

Несмотря на то, что результаты были в некоторой степени ожидаемыми — например, большее время, потраченное на уплотнение нитей, привело к получению более прочных и крупных нитей — это исследование стало первым поддающимся проверке доказательством предположений команды и поможет будущим исследователям разработать и выбрать электрокомпактные коллагеновые материалы для их собственная работа. Sun также смогла обучить глубокую нейронную сеть, чтобы рекомендовать конкретные параметры изготовления на основе того, какие механические свойства могут понадобиться конкретному исследователю.

На следующих этапах Sun планирует подать нити в 3D-принтер, чтобы их можно было использовать для создания различных форм и структур. В настоящее время он работает вместе с Адамом Файнбергом, профессором биомедицинской инженерии, материаловедения и инженерии, над этим. Сила уплотненных коллагеновых нитей означает, что их можно использовать для более широкого круга применений, чем мягкие, мягкие отпечатки на основе мышц, и, вероятно, они в буквальном смысле помогут новому поколению биогибридных роботов оторваться от земли.