In een poging om robots effectievere en veelzijdigere teamgenoten te maken voor soldaten in gevechten, Legeronderzoekers zijn op een missie om de waarde van de moleculaire levende functionaliteit van spieren, en de fundamentele mechanica die zou moeten worden gerepliceerd om kunstmatig de mogelijkheden te bereiken die voortkomen uit de eiwitten die verantwoordelijk zijn voor spiercontractie.

Bionanomotoren, zoals myosinen die langs actinenetwerken bewegen, zijn verantwoordelijk voor de meeste bewegingsmethoden in alle levensvormen. Dus, de ontwikkeling van kunstmatige nanomotoren kan baanbrekend zijn op het gebied van robotica-onderzoek.

Onderzoekers van het Army Research Laboratory van het Amerikaanse leger Combat Capabilities Development Command hebben gezocht naar een ontwerp waarmee de kunstmatige nanomotor kan profiteren van de Brownse beweging, de eigenschap van deeltjes om onrustig te bewegen, simpelweg omdat ze warm zijn.

De CCDC ARL-onderzoekers zijn van mening dat het begrijpen en ontwikkelen van deze fundamentele mechanica een noodzakelijke fundamentele stap is naar het nemen van weloverwogen beslissingen over de levensvatbaarheid van nieuwe richtingen in robotica waarbij synthetische biologie wordt gemengd, robotica, en dynamica en regeltechniek.

The Journal of Biomechanical Engineering onlangs hun onderzoek uitgelicht.

"Door de stijfheid van verschillende geometrische kenmerken van een eenvoudig hefboomarmontwerp te regelen, we ontdekten dat we Brownse beweging konden gebruiken om de nanomotor beter in staat te stellen gewenste posities te bereiken voor het creëren van lineaire beweging, " zei decaan Culver, een onderzoeker in het Directoraat Voertuigtechnologie van CCDC ARL. "Deze functie op nanoschaal vertaalt zich in een energetisch efficiëntere bediening op macroschaal, wat betekent dat robots over een langere tijd meer voor de oorlogsjager kunnen doen."

Volgens Culver, de beschrijvingen van eiwitinteracties bij spiercontractie zijn doorgaans vrij hoogstaand. Specifieker, in plaats van de krachten te beschrijven die op een individueel eiwit inwerken om zijn tegenhanger te zoeken, voorgeschreven of empirische snelheidsfuncties die de omstandigheden dicteren waaronder een binding of een afgifte plaatsvindt, zijn door de onderzoeksgemeenschap gebruikt om dit biomechanische proces te repliceren.

"Deze algemeen aanvaarde modellen voor spiercontractie zijn verwant aan een black-box-begrip van een automotor, ' zei Culver. 'Meer benzine, meer kracht. Het weegt zoveel en neemt zoveel ruimte in beslag. Er komt verbranding bij kijken. Maar, je kunt geen motor van een auto ontwerpen met dat soort informatie op grondniveau. Je moet begrijpen hoe de zuigers werken, en hoe fijn de injectie moet worden afgesteld. Dat is een begrip op componentniveau van de motor. We duiken in de mechanica op componentniveau van het opgebouwde eiwitsysteem en laten de ontwerp- en controlewaarde van levende functionaliteit zien, evenals een duidelijker begrip van ontwerpparameters die essentieel zouden zijn voor het synthetisch reproduceren van dergelijke levende functionaliteit."

Culver verklaarde dat het vermogen van Brownse beweging om een ​​vastgebonden deeltje van een ongunstige elastische positie naar een voordelige te schoppen, in termen van energieproductie voor een moleculaire motor, is geïllustreerd door ARL op componentniveau, een cruciale stap in het ontwerp van kunstmatige nanomotoren die dezelfde prestatiemogelijkheden bieden als biologische.

"Dit onderzoek voegt een belangrijk stukje van de puzzel toe voor snelle, veelzijdige robots die autonome tactische manoeuvres en verkenningsfuncties kunnen uitvoeren, Culver zei. "Deze modellen zullen een integraal onderdeel zijn van het ontwerp van gedistribueerde actuatoren die stil zijn, lage thermische handtekening en efficiënte functies die deze robots meer impact zullen geven in het veld."

Culver merkte op dat ze stil zijn omdat de spieren niet veel geluid maken als ze worden geactiveerd, vooral in vergelijking met motoren of servo's, koud omdat de hoeveelheid warmteontwikkeling in een spier veel minder is dan bij een vergelijkbare motor, en efficiënt vanwege de voordelen van het gedistribueerde chemische energiemodel en potentiële ontsnapping via Brownse beweging.

Volgens Culver, de breedte van toepassingen voor actuatoren geïnspireerd door de biomoleculaire machines in dierlijke spieren is nog onbekend, maar veel van de bestaande toepassingsruimten hebben duidelijke legertoepassingen zoals bio-geïnspireerde robotica, nanomachines en het oogsten van energie.

"Fundamenteel en verkennend onderzoek op dit gebied is daarom een ​​verstandige investering voor onze toekomstige oorlogsjagercapaciteiten, ' zei Culver.

Vooruit gaan, er zijn twee primaire uitbreidingen van dit onderzoek.

"Eerst, we moeten beter begrijpen hoe moleculen, zoals het vastgebonden deeltje dat in ons artikel wordt besproken, met elkaar omgaan in meer gecompliceerde omgevingen, ' zei Culver. 'In de krant, we zien hoe een vastgebonden deeltje de Brownse beweging nuttig kan benutten om de samentrekking van de spier in het algemeen te bevorderen, maar het deeltje in dit eerste model bevindt zich in een geïdealiseerde omgeving. In ons lichaam, het is ondergedompeld in een vloeistof die veel verschillende ionen en energiedragende moleculen in oplossing draagt. Dat is het laatste stukje van de puzzel voor de eenmotorige, nanoschaalmodellen van moleculaire motoren."

De tweede uitbreiding, verklaarde Culver, is om deze studie te herhalen met een volledig 3D-model, de weg vrijmaken voor opschaling naar praktische ontwerpen.

Opvallend is ook dat, omdat dit onderzoek nog zo jong is, ARL-onderzoekers gebruikten dit project om relaties aan te gaan met andere onderzoekers in de academische gemeenschap.

"Het zal de komende jaren van cruciaal belang zijn om op hun expertise te vertrouwen, en we hebben uitstekend werk geleverd door faculteitsleden en onderzoekers te bereiken van plaatsen zoals de Universiteit van Washington, Duke University en Carnegie Mellon University, ' zei Culver.

Volgens Culver, het nemen van dit onderzoeksproject naar de volgende stappen met hulp van samenwerkingspartners zal leiden tot enorme capaciteiten voor toekomstige soldaten in de strijd, een kritische vereiste gezien de aard van het steeds veranderende slagveld.