Onderzoekers in robotmaterialen proberen de voortbeweging van dieren kunstmatig te beheersen om de bestaande uitdagingen voor bediening aan te pakken, controle en stroomvereisten in zachte robotica. In een nieuw rapport in wetenschappelijke vooruitgang , Nicole W. Xu en John O. Dabiri op de afdelingen bio-engineering, civiele en milieutechniek en werktuigbouwkunde aan de Stanford University presenteerde een biohybride robot die micro-elektronica aan boord gebruikte om het zwemmen in levende kwallen te induceren. Ze maten het vermogen om de voortstuwing aanzienlijk te verbeteren door lichaamscontracties met een optimaal frequentiebereik sneller aan te sturen dan natuurlijk gedrag. De manoeuvre verhoogde de zwemsnelheid met bijna drie keer, hoewel met slechts een tweevoudige toename van het metabolische verbruik van het dier en 10 mW externe stroomtoevoer naar de micro-elektronica. De biohybride robot gebruikte 10 tot 1000 keer minder extern vermogen per massa dan bij eerder gerapporteerde aquatische robots. De mogelijkheid kan het prestatiebereik van biohybride robots verbeteren ten opzichte van native prestaties, met mogelijke toepassingen als biohybride oceaanmonitoringrobots.

Kwallen zijn een aantrekkelijk modelorganisme om energiezuinige onderwatervoertuigen te maken vanwege hun lage transportkosten (COT). Bestaande biomimetische robots van zwemmende dieren die volledig zijn gebouwd van technisch materiaal, kunnen snelheden bereiken die vergelijkbaar zijn met natuurlijke dieren, maar met orden van grootte die minder efficiënt zijn dan kwallen. Biohybride kwallenrobots kunnen daarom levende dieren integreren om de bestaande uitdagingen van zachte robotica aan te pakken. Onderzoekers kunnen de kwallenstructuur gebruiken voor activering en het oplossen van stroomvereisten door natuurlijk voedingsgedrag te onderzoeken waarbij ze ter plekke chemische energie uit prooien halen. De aanpak kan ook herstel van schade mogelijk maken via natuurlijke wondgenezingsprocessen die inherent zijn aan het dier, controle van de voortbeweging van dieren en aanvullende studies van de biomechanica van levende organismen mogelijk te maken in door de gebruiker gecontroleerde experimenten. In dit onderzoek, Xu en Dabiri gebruikten een systeem van micro-elektronica om een ​​levende kwal extern te besturen en een biohybride robot te vormen om de wetenschap en techniek van de voortbeweging in het water te bevorderen.

Om kwallen als natuurlijke steiger te activeren, het team gebruikte het eigen basale metabolisme van het dier om de extra krachtbehoefte te verminderen en gebruikte zijn spieren voor activering, terwijl het vertrouwde op zelfgenezende en weefselregeneratieve eigenschappen voor een grotere schadetolerantie. Het team veronderstelde dat het verhogen van de belcontractiefrequenties van kwallen de zwemsnelheid tot een limiet zou kunnen verhogen. Ze controleerden daarom extern de frequentie van pulsen bij vrijzwemmende dieren door de zwemsnelheid en zuurstofopname te meten om de transportkosten (COT) te berekenen en hun werkhypothese te testen. Voorheen waren dergelijke onderzoeken alleen mogelijk via computationele of theoretische modellen.

Xu et al. geselecteerde Aurelia aurita als modelorganisme; een afgeplatte kwallensoort met een flexibele mesogleale bel en een monolaag van coronale en radiale spieren die het subumbrellaire oppervlak bekleden. Om te kunnen zwemmen, de organismen trokken spieren samen om het volume van de subumbrellaire holte te verkleinen en water uit te stoten om een ​​aandrijfkracht te leveren naast extra bijdragen van passieve energieterugwinning en op zuigkracht gebaseerde voortstuwing. Om deze spiercontracties te starten, de kwal activeerde een van zijn lichte pacemakers in de sensororganen die bekend staan ​​​​als rhopalia langs de belrand. Deze zenuwclusters activeerden het gehele motorische zenuwnet om bidirectionele spiergolfvoortplanting te veroorzaken die voortkwam uit de geactiveerde pacemakers tijdens natuurlijke voortplanting.

Integratie van robotontwerp in levende kwallen en apparaatvalidatie

De wetenschappers ontwierpen eerst een draagbare, zelfstandige micro-elektronische zwemcontroller om een ​​blokgolf te genereren en spiercontracties van 0,25 Hz tot 1,00 Hz te stimuleren. Ze hebben de controller samengesteld met een TinyLily mini-processor en een 10-mAh lithium-polymeercel. Om het elektrische signaal visueel te bevestigen, Xu et al. verbond de draden in serie met TinyLily light-emitting diodes (LED's). Vervolgens plaatsten ze tweezijdig elektroden in het subumbrellaire weefsel en hielden het systeem natuurlijk drijvend met roestvrijstalen ringen en kurk. Om te valideren dat de zwemcontroller extern de samentrekkingen van de kwallenklok kan controleren, de wetenschappers ontwikkelden een methode om de beweging van de belmarge te volgen. Voor deze, ze voltooiden drie reeksen experimenten, (1) om endogene contracties van het organisme waar te nemen in afwezigheid van verstoringen, (2) om te observeren of het mechanisch inbedden van inactieve elektroden het natuurlijke gedrag van dieren beïnvloedde en (3) om stimulatieprotocollen te testen om extern aangedreven contracties te bevestigen.

Ze ontdekten dat het natuurlijke gedrag van dieren (of endogene contractie) onregelmatig was met een hoge hartslagvariabiliteit, inclusief een gemiddelde piekfrequentie van 0,16 Hz. Een inactieve elektrode veranderde de frequentiespectra niet significant, terwijl extern aangedreven contracties een fysiologische limiet vertoonden van spiercontracties van kwallen tussen 1,4 Hz en 1,5 Hz. Het team voerde zwemproeven uit met het geïmplanteerde systeem in een zoutwatertank en normaliseerde de gemeten zwemsnelheden om rekening te houden met variatie in diergrootte. Ze hebben de genormaliseerde zwemsnelheid geschaald met het gemiddelde van de genormaliseerde snelheid in afwezigheid van stimulatie (d.w.z. 0 Hz) om de verbeteringsfactor te bepalen. De maximale verbeteringsfactor was tot 2,8 keer de natuurlijke zwemsnelheid van de dieren, d.w.z., de zwemsnelheid is tot 2,8 keer verbeterd met behulp van micro-elektronica aan boord.

Uiterst efficiënt stroomverbruik van het apparaat

De kunstmatig gecontroleerde kwal vereiste externe kracht van het micro-elektronische systeem en interne kracht van de eigen stofwisseling van de dieren. Bij toenemende frequenties, het micro-elektronische systeem van de biohybride robotkwal verbruikte meer watt per kg. Echter, vergeleken met bestaande robots, deze biohybride robot gebruikte tot 1000 keer minder externe stroom. Xu et al. vergeleek dit prototype met de medusoïde en robotstraal gemaakt van rattencardiomyocyten gezaaid op siliconen steigers, en met puur mechanische robots en autonome onderwatervoertuigen (AUV's). Naast de kosteneffectieve voordelen van een laag extern stroomverbruik per massa van de biohybride robot, het micro-elektronische systeem kost slechts minder dan $ 20 van in de handel verkrijgbare componenten. De elektrolocatie was ook niet-specifiek en de dieren herstelden onmiddellijk na de experimenten.

The new capability of external control allowed Xu et al. to address the relationship between swimming frequency and metabolic rate. Oxygen consumption rates followed a similar pattern to enhanced swimming speeds, and the scientists calculated the equivalent cost of transport using both experimental metabolic rates and experimental swimming speeds. The COT increased at mid-range frequencies and decreased at high external stimulation frequencies. The results showed that enhanced jellyfish swimming did not cause undue cost to the metabolism or health of the animal.

The main robotic limit of the study was the power requirement of the microelectronic system relative to animal versus microelectronic power needs. Further improvement to microelectronics can decrease the energetic costs and extended studies can also strive to minimize endogenous animal contractions without harming the organism to improve controllability of live-animal-based biohybrid robots. The artificial control of jellyfish can expand ocean monitoring techniques with improved controllability by incorporating microelectronic sensors to leverage the existing tagging technology.

© 2020 Wetenschap X Netwerk