Zusammenfassung:
Ein Forschungsteam des Shenyang Institute of Automation der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat kürzlich einen drahtlosen, lichtgesteuerten Miniatur-„Robotermantarochen“ entwickelt, dessen Antriebsflossen von echten Skelettmuskeln angetrieben werden, die den Beinen von Ochsenfröschen entnommen wurden. Diese Forschung nutzt biologisches Gewebe direkt als Aktuator, was eine bahnbrechende Forschung auf dem Gebiet biosynkretischer Roboter darstellt. Die entsprechenden Ergebnisse wurden in „Advanced Functional Materials“ veröffentlicht.
Das Forschungsteam extrahierte als Aktuator den Musculus gracilis aus dem Bein eines Ochsenfrosches. Unter optimierten elektrischen Stimulationsbedingungen (1 Hz, 5 V, 10 ms pro Impuls) kann der Muskel eine stabile Kontraktionskraft von etwa 6,5 N mit einer Kontraktionsamplitude von etwa 25 % erzeugen; Bei stärkerer Stimulation können Spitzenkräfte 9,4 N erreichen. Das Gewebe blieb 11 Tage lang elektrisch reaktionsfähig und konnte den Roboter etwa sieben Tage lang zuverlässig antreiben.
Im Gegensatz zu früheren Protokollen, die Laborkulturen oder rekonstruiertes Muskelgewebe verwendeten, wurde in dieser Studie direkt natürlich isolierte intakte Skelettmuskulatur verwendet. Die Forscher wiesen darauf hin, dass natürliche Muskelfasern eine hochgeordnete Anordnungsstruktur aufweisen, sodass die Kontraktionsleistung deutlich besser ist als die von aus Zellkulturen rekonstruierten Muskelbündeln. Allerdings war eine unzureichende Ausgangskraft schon immer ein entscheidender Engpass, der die Geschwindigkeit und Mobilität bestehender Roboter mit Skelettmuskelantrieb einschränkte.
Um die Einschränkungen herkömmlicher kabelgebundener elektrischer Stimulationssysteme zu beseitigen, integrierte das Team Mikrogalliumarsenid (GaAs)-Photovoltaikmodule auf der Rückseite des Robotermantarochens und bestrahlte ihn mit einem 808-Nanometer-Nahinfrarotlaser. Die Photovoltaikeinheit wandelt Lichtsignale in elektrische Signale um und leitet sie an die Nerven auf der Muskeloberfläche weiter, um Kontraktionen auszulösen; Die Photovoltaikbereiche auf der linken und rechten Seite können unabhängig voneinander angesprochen werden, und die differenzierte Kontraktion der Muskeln auf beiden Seiten wird durch die Steuerung des Zeitpunkts und der Position des Lichts erreicht, wodurch kabellose Steuerungen wie Vorwärts-, Wende-, Kreis- und U-förmige Drehungen möglich sind.
In Bezug auf die Bewegungsleistung beträgt die durchschnittliche Geradeausgeschwindigkeit des Robotermantarochens 0,54 Körperlängen pro Sekunde (ca. 2,7 cm/s) und kann in kurzer Zeit bis zu 2 Körperlängen pro Sekunde erreichen. Das Forschungsteam sagte, dies sei die höchste relative Vorwärtsgeschwindigkeit eines skelettmuskelbetriebenen Biohybridroboters, über die bisher berichtet wurde. Sein minimaler Wenderadius beträgt nur ein Achtel seiner Körperlänge, seine maximale Winkelgeschwindigkeit erreicht 21 Grad pro Sekunde und es dauert etwa 17 Sekunden, um einen vollständigen Kreis zu vollenden. Neben dem Cruisen an der Oberfläche und dem Schwimmen unter Wasser mit einer Last (bis zu 5 Gramm) kann sich der Roboter sogar in langsamen Kurven auf starren Oberflächen bewegen.
Die Forscher gaben an, dass dies das erste Mal ist, dass natürliche isolierte Skelettmuskeln mit einem drahtlosen photoelektrischen Nervenstimulationssystem gekoppelt wurden, was die Eignung von natürlichem Muskelgewebe als leistungsstarken biologischen Aktuator bestätigt. Dieser technische Weg ist nicht auf die Mantarochen-Konfiguration beschränkt: Es wird erwartet, dass sich natürliche Muskelaktoren an andere Roboterstrukturen anpassen, und das „optisch-elektrische“ drahtlose Steuerungsschema bietet eine Möglichkeit, biologische Aktoren zu steuern, ohne dass permanente externe Kabel erforderlich sind.
Auf der Anwendungsebene ist das Team davon überzeugt, dass diese Art von kleinen Robotern mit Flossenantrieb für die Überwachung der Flachwasserumgebung und die störungsarme Beobachtung von Wasserlebewesen geeignet ist und die durch herkömmliche Unterwasserroboterpropeller und starre Mechanismen verursachten Störungen vermeiden kann. Darüber hinaus kann das zur Aufrechterhaltung einer wirksamen Kontraktion isolierter Muskeln entwickelte elektrische Stimulationsgerüst auch eine experimentelle Referenz für die In-vitro-Muskelrehabilitationsforschung und dynamische Tissue-Engineering-Kultursysteme nach Nervenverletzungen sein.
Die derzeitige Hauptbeschränkung ist die Lebensdauer des biologischen Gewebes und die Abhängigkeit von externer Energie: Integrierte Muskeln können etwa 7 Tage lang zuverlässig arbeiten und die elektrische Reaktion kann bis zu 11 Tage anhalten; Die drahtlose Stimulation erfordert immer noch eine kontinuierliche Stromversorgung und Steuerung durch eine externe Nahinfrarot-Lichtquelle. Im nächsten Schritt plant das Team, In-vitro-Kulturstrategien zu optimieren, um die Muskellebensdauer zu verlängern, neuroähnliche flexible Filmelektroden zu entwickeln, um eine gleichmäßigere Verteilung elektrischer Signale zu erreichen, und zu versuchen, Photovoltaiksysteme mit integrierten Energiespeichern zu kombinieren, damit der Roboter die gesammelte Lichtenergie speichern und bei Bedarf abrufen kann, anstatt sich ausschließlich auf Echtzeitbeleuchtung zu verlassen.
Kommentare