Disa gjëra janë aq të ndryshme sa kalimi nga një delikat i gatimeve rajonale në një aktuator robotik. Megjithatë, në një hulumtim që ngjan paksa me “RoboCop”, shkencëtarët kanë përdorur muskulin skeletor të një kërcëdreze të vërtetë për të kontrolluar një “ra” robotik të vogël.
Kërkuesit nga Instituti i Automatizimit i Shenzhen (SIA) i Akademisë Kineze të Shkencave kanë ndërtuar një “ra” robotik pa tela, të kontrolluar me dritë, ku gërbiljet janë të drejtuara nga muskula biologjike e vërtetë. E marrë nga muskuli “gracilis” në këmbën e një kërcëdreze, ky tisur prodhoi një forcë kontraktuese stabile prej 6.5 newton (N), arriti një maksimum prej 9.4 N nën stimulim më të fortë, mbeti reagues ndaj elektricitetit për deri në 11 ditë dhe mund të lëvizte robotin me besueshmëri për një periudhë prej shtatë ditësh.
Ky hulumtim hyn nën kategorinë e robotikës biosinkretike, një fushë e re e robotikës hibride që përfshin material biologjik të gjallë në makina. Komponentët biologjikë kryejnë funksione që zakonisht kryhen nga komponentët elektromekanikë, duke zëvendësuar sisteme komplekse dhe të mëdha. Në këtë rast, muskujt biologjikë shërbejnë si aktuatorë, duke zëvendësuar motorët elektrikë, sistemet pneumatike dhe hidraulike.
Muskujt janë veçanërisht të përshtatshëm për robotët biosinkretikë, pasi natyra ka kaluar qindra miliona vite duke zhvilluar një aktuator kompakt, fleksibel dhe shumë eficient. Një muskull skeletor mund të kontrahitet fort dhe shpejt, herë pas here, duke funksionuar në të njëjtën kohë si një transmetim mekanik shumë i sofistikuar.
Si rrjedim i kësaj, kërkuesit kanë ndërtuar të ndryshme robotë të lëvizur nga muskuj, duke përdorur tisur muskujsh të sintetizuara. Vetë ekipi i SIA prodhoi më parë një “ra” të frymëzuar nga “manta” në vitin 2022, duke përdorur tisur muskujsh skeletore të rritura në laborator. Megjithatë, një problem i rëndësishëm mbetet. Tissut e muskujve të inxhinjerizuara, të rikonstruktuara nga qelizat e kulturuara, janë relativisht të dobët. Sipas kërkuesve, forca e ulët e prodhimit është një nga faktorët që kanë kufizuar shpejtësinë dhe manovrueshmërinë e robotëve ekzistues të lëvizur nga muskujt skeletorë.
Për këtë arsye, këtë herë ata shmangën procesin e krijimit të muskujve dhe e morën një version të kompletuar që evoluimi kishte përsosur. Ekipi izoloi muskulin “gracilis”, një muskull skeletor i gjatë i cili gjendet në këmbë, nga një kërcëdre. Ndryshe nga grupet e muskujve të rikonstruktuar, tregu natyror ruaj arranzhimin e organizuar natyrisht të fibrave të muskujve. Kërkuesit thonë se kjo arkitekturë e rregullt ofron performancë kontraktuese shumë më të mirë.
Më pas, ata testuan sinjale elektrike të ndryshme për të aktivizuar atë. Me një stimulim të optimizuar prej 1 Hz, 5 V dhe 10 milisekonda për puls, muskuli prodhoi rreth 6.5 N forcë kontraktuese dhe u shkurtua rreth 25%. Nën kushte më ekstreme, forca maksimale arriti 9.4 N.
“Për herë të parë, ne kemi lidhur muskulin skeletor natyror të izoluar me një sistem optoelektronik pa tela për stimulim neural”, thotë Dr. Chuang Zhang, kërkues i SIA. “Puna jonë vërteton se tregu natyror i tisurve muskujsh është një aktuator biologjik me performancë të lartë”.
Tani, pas një aktuatori biologjik të fortë zgjidh vetëm gjysmën e problemit. Ju duhet ende ta ushqyeni dhe t’i thoni kur të lëvizet. Tek kafshët, adenozin trifosfati (ATP) brenda muskujve furnizon shumicën e energjisë mekanike, ndërsa një impuls elektrik kalon përgjatë një neuroni motorik dhe shkakton një zinxhir ngjarjesh që shkakton kontrahimin e fibrave të muskujve skeletorë.
Robotët hibridë biologjikë riprodhojnë atë proces me elektroda që dërgojnë impuls elektrik në muskuj. Problemi i dukshëm për një robot të mobil është se nga vijnë këto impuls elektrik. Konfigurimet tradicionale zakonisht mbështeten në elektroda të jashtme dhe stimulatorë të lidhur me tela që e lidhin robotin me sisteme të jashtme. “Ra” robotik i mëparshëm i ekipit të SIA notonte brenda një ambienti të pajisur me elektroda, me tetë elektroda platinë të vendosura rreth tij për të gjeneruar fusha elektrike që stimulonin muskulin e kulturuar. Kjo funksionoi, por ambienti i notimit vetë formonte pjesërisht sistemin e kontrollit të robotit.
“Ra” robotik i ri zgjidh atë problem me një qasje shpjeguese.
Modulë të vegjël fotovoltaikë prej arseniut të galiumit (GaAs) janë vendosur në sipërfaqen e pjesës së sipërme të robotit. Një operator e ndriçon me lazer infra të kuq 808-nm. Qelizat e konvertojnë dritën e hyrur në energji elektrike, dhe sinjali elektrik i rezultuar kalon në nerva në sipërfaqen e muskujve të kërcëdrejes, duke e bërë atë të kontrahuar. Anët e majta dhe të djegta mund të adresohen gjithashtu veçmas. Duke kontrolluar se kur dhe ku drita NIR godet dy pjesët fotovoltaike, kërkuesit mund të kontrollojnë sekuencën e kontrahimit të muskujve në secilën anë, duke arritur një kontroll të pa lidhur.
Ra të vërtetë e lëvizin veten duke lëkundur ritmikisht gërbiljet e tyre të mëdha torakale. Ky është një model biologjik i përshtatshëm për këtë lloj aktuatori, pasi muskujt që kontrahon mund të lidhen mekanikisht me gërbilje fleksible, duke e transformuar shkurtimin dhe relaksimin e përsëritur në një lëvizje noti.
Kërkuesit e kanë vendosur në mënyrë të ngjajshme aktuatorët e muskujve të izoluar për të drejtuar gërbiljet e “ra” robotik. Ndërsa stimulimi elektrik shkakton kontrahimin, muskuli tërheq strukturën, duke shkaktuar lëkundjen e gërbiljeve dhe duke gjeneruar shtysë. Kontrolli i dy anëve së bashku e lëviz robotin përpara, ndërsa ndryshimi i modeleve të aktivizimit të tyre krijon shtysë asimetrike për drejtimin.
Roboti arriti një shpejtësi mesatare në vijë të drejtë prej 0.54 gjatësie trupi në sekondë, ekuivalente me rreth 2.7 cm në sekondë, dhe arriti për një kohë të shkurtër dy gjatësi trupi në sekondë. Kërkuesit thonë se ky i fundit është shpejtësia relative përpara më e shpejtë e raportuar deri tani për një robot biosinkretik të lëvizur nga muskujt skeletorë.
Ai mund të kthehej në vetëm një e tetë e gjatësisë së trupit, arriti një shpejtësi maksimale të kthimit prej 21 gradash në sekondë dhe përfundoi një rreth të tërë në rreth 17 sekonda. Stimulimi selektiv i anëve të majta dhe të djegta lejoi notim në vijë të drejtë, kthesa në majtë dhe në të djathtë, rreth dhe kthesa në formë “U”. “Ra” i kërcëdrejes mund të notonte edhe në sipërfaqen e ujit, të notonte nën ujë duke bartur një ngarkesë deri në 5 g (0.18 oz) dhe, mjaft papritur për një “manta”, prodhoi lëvizje të ngadalëta dhe të kthyera në një sipërfaqe të ngurtë.
Tani, rëndësia e këtij pune shkon përtej anatomisë së zgjedhur. Asnjë nga risitë, përdorimi i tisurve natyrore dhe metoda e ushqimit të aktuatorit, nuk është e kufizuar vetëm në notues të formës së “mantas”. Muskujt skeletorë të izoluar natyrorë mund të lëviznin arkitektura të tjera të robotëve, ndërsa teknika e kontrollit me dritë në energji elektrike ofron një mënyrë për të komanduar aktuatorët biologjikë pa lidhur përgjithimisht robotin me një stimulator të jashtëm.
Për këtë makinë specifike, kërkuesit shohin aplikime të mundshme në monitorimin mjedisor të ujit të cekur dhe në vëzhgimin pa zhurmë të organizmave ujore; situata ku një makinë e vogël, e lëvizur me gërbilje, mund të lëvizte në një mjedis pa propellerë dhe mekanizma të ngurtë të gjetur në robotët tradicionale nënujorë.
Studimi gjithashtu solli përfitime të tjera. Ekipi thotë se struktura e stimulimit elektrik e zhvilluar për të mbajtur muskulin e izoluar në punë mund të shërbejë si një referencë eksperimentale për rehabilitimin e muskujve pas lëndimeve nervore dhe për sistemet e kultivimit dinamik të tisujve.
Për momentin, një kufizim i dukshëm është jeta e tisurve biologjike. Muskuli i integruar mund të funksiononte robotin me besueshmëri për rreth shtatë ditë dhe mbeti reagues ndaj elektricitetit për deri në 11 ditë. Gjithashtu, makina aktuale varet nga drita infra e kuqe e furnizuar nga jashtë për stimulimin e saj elektrik pa tela. Megjithëse kjo heq qafe një lidhje fizike, ajo e lë robotin ende të varur nga një burim i jashtëm i energjisë/kontrollit.
Kjo na çon te hapat e ardhshëm të ekipit. Kërkuesit planifikojnë të zhvillojnë strategji më të mira të kultivimit in vitro për të zgjatur jetën e muskujve, si dhe elektroda fleksible të holla si ato të neuronit që mund të shpërndajnë stimulimin elektrik më uniformisht në tisur. Ata gjithashtu duan të kombinojnë sistemin fotovoltaik me ruajtjen e energjisë në brendësi, duke lejuar robotin të ruante energjinë e grumbulluar nga drita dhe ta përdorte më vonë në vend që të lidhte lëvizjet e tij drejtëpërdrejt me ndriçimin që vjen.
Studimi u botua në revistën “Advanced Functional Materials”.
Burimi: Akademia Kineze e Shkencave
Burimi: newatlas.com
