Biohybriden Robots, Gemaakt Van Levend Weefsel, Beginnen Vorm Te Krijgen

{h1}

Om de klusjes "moeren en bouten" te doen, zijn robots niet goed in, ingenieurs creëren soft-living machines aangedreven door spiercellen.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd in The Conversation. De publicatie droeg het artikel bij aan Expert Voices van WordsSideKick.com: Op-Ed & Insights.

Denk aan een traditionele robot en je stelt je waarschijnlijk iets voor dat gemaakt is van metaal en plastic. Dergelijke "moeren en bouten" robots zijn gemaakt van harde materialen. Naarmate robotten meer rollen krijgen buiten het laboratorium, kunnen dergelijke rigide systemen veiligheidsrisico's opleveren voor de mensen met wie ze communiceren. Als een industriële robot bijvoorbeeld in een persoon slingert, bestaat het risico op kneuzingen of botschade.

Onderzoekers zoeken steeds vaker naar oplossingen om robots zachter of compliant te maken - minder als starre machines, meer als dieren. Met traditionele actuators - zoals motoren - kan dit betekenen dat u luchtspieren of veren parallel aan motoren gebruikt. Op een Whegs-robot bijvoorbeeld betekent een veer tussen een motor en het wielbeen (Wheg) dat als de robot ergens tegenaan loopt (zoals een persoon), de veer een deel van de energie absorbeert zodat de persoon niet gewond raakt. De bumper op een Roomba stofzuiger is een ander voorbeeld; hij is veerbelast, zodat de Roomba de dingen waar hij tegenaan botst niet beschadigt.

Maar er is een groeiend onderzoeksgebied dat een andere aanpak hanteert. Door robotica te combineren met tissue engineering, beginnen we met het bouwen van robots die worden aangedreven door levend spierweefsel of cellen. Deze apparaten kunnen elektrisch of met licht worden gestimuleerd om de cellen samen te trekken om hun skeletten te buigen, waardoor de robot gaat zwemmen of kruipen. De resulterende biobots kunnen bewegen en zijn zacht als dieren. Ze zijn veiliger rond mensen en meestal minder schadelijk voor de omgeving waarin ze werken dan een traditionele robot zou kunnen zijn. En omdat ze, net als dieren, voedingsstoffen nodig hebben om hun spieren te voeden, niet batterijen, zijn biohybride robots ook lichter.

Door weefsel ontworpen biobots op titaniummatrijzen.

Door weefsel ontworpen biobots op titaniummatrijzen.

Credit: Karaghen Hudson en Sung-Jin Park, CC BY-ND

Een biobot bouwen

Onderzoekers fabriceren biobots door levende cellen te kweken, meestal van het hart of de skeletspier van ratten of kippen, op steigers die niet-toxisch zijn voor de cellen. Als het substraat een polymeer is, is het gecreëerde apparaat een biohybride robot - een hybride tussen natuurlijke en door de mens gemaakte materialen.

Als je cellen gewoon op een gegoten skelet plaatst zonder enige begeleiding, eindigen ze in willekeurige oriëntaties. Dat betekent dat wanneer onderzoekers elektriciteit toepassen om ze te laten bewegen, de samentrekkingskrachten van de cellen in alle richtingen worden toegepast, waardoor het apparaat op zijn best inefficiënt wordt.

Om de kracht van de cellen beter te benutten, schakelen onderzoekers over op micropatterning. We stempelen of drukken microscopische lijnen op het skelet gemaakt van stoffen waaraan de cellen de voorkeur geven. Deze lijnen leiden de cellen zodat ze tijdens het groeien langs het afgedrukte patroon uitlijnen. Met de cellen helemaal in een rij, kunnen onderzoekers aangeven hoe hun contractiekracht op het substraat wordt toegepast. Dus in plaats van alleen een puinhoop met cellen te schieten, kunnen ze allemaal tegelijk werken om een ​​poot of een vin van het apparaat te verplaatsen.

Weefsel-geconstrueerde zachte robotachtige straal die met licht wordt gecontroleerd.

Weefsel-geconstrueerde zachte robotachtige straal die met licht wordt gecontroleerd.

Credit: Karaghen Hudson en Michael Rosnach, CC BY-ND

Biohybride robots geïnspireerd door dieren

Naast een breed scala aan bio-hybride robots, hebben onderzoekers zelfs een aantal volledig organische robots gemaakt met behulp van natuurlijke materialen, zoals het collageen in de huid, in plaats van polymeren voor het lichaam van het apparaat. Sommigen kunnen kruipen of zwemmen als ze worden gestimuleerd door een elektrisch veld. Sommigen halen inspiratie uit medische weefseltechnieken en gebruiken lange rechthoekige armen (of cantilevers) om zichzelf naar voren te trekken.

Anderen hebben hun signalen van de natuur overgenomen en creëerden biologisch geïnspireerde biohybriden. Een groep onder leiding van onderzoekers van het California Institute of Technology ontwikkelde bijvoorbeeld een biohybride robot geïnspireerd op kwallen. Dit apparaat, dat ze een medusoïde noemen, heeft armen in een cirkel. Elke arm is voorzien van micropatronen met eiwitlijnen zodat de cellen groeien in patronen die lijken op de spieren van een levende kwal. Wanneer de cellen samentrekken, buigen de armen naar binnen, waardoor de bio-hybride robot wordt voortgestuwd in een voedingsrijke vloeistof.

Meer recentelijk hebben onderzoekers aangetoond hoe ze hun bio-hybride creaties moeten sturen. Een groep op Harvard gebruikte genetisch gemodificeerde hartcellen om een ​​biologisch geïnspireerde mantarog-vormige robot te laten zwemmen. De hartcellen werden veranderd om te samentrekken als reactie op specifieke frequenties van licht - de ene kant van de straal had cellen die op één frequentie zouden reageren, de cellen van de andere kant reageerden op een andere.

Toen de onderzoekers licht schenen op de voorkant van de robot, vielen de cellen daar samen en stuurden elektrische signalen naar de cellen verder langs het lichaam van de mantarog. De samentrekking zou zich in het lichaam van de robot voortplanten en het apparaat naar voren verplaatsen. De onderzoekers konden de robot naar rechts of links draaien door de frequentie van het gebruikte licht te variëren. Als ze meer licht van de frequentie schenen waarop de cellen aan de ene kant zouden reageren, zouden de samentrekkingen aan die kant van de mantarog sterker zijn, waardoor de onderzoekers de bewegingen van de robot konden sturen.

De biobots aan het opruien

Hoewel er op het gebied van biohybride robotica spannende ontwikkelingen zijn gemaakt, moet er nog veel werk worden verzet om de apparaten uit het laboratorium te krijgen. Apparaten hebben momenteel een beperkte levensduur en uitvoer met lage prestaties, waardoor hun snelheid en het vermogen om taken uit te voeren worden beperkt. Robots gemaakt van zoogdier- of vogelcellen zijn erg kieskeurig over hun omgevingsomstandigheden.De omgevingstemperatuur moet bijvoorbeeld bijna biologisch zijn en de cellen moeten regelmatig worden gevoed met een voedingsrijke vloeistof. Een mogelijke remedie is om de apparaten zodanig te verpakken dat de spier wordt beschermd tegen de externe omgeving en voortdurend wordt bevochtigd met voedingsstoffen.

Zeeschildpad-geïnspireerde bio-hybride robot, aangedreven door spieren uit de zeeslak.

Zeeschildpad-geïnspireerde bio-hybride robot, aangedreven door spieren uit de zeeslak.

Krediet: Dr. Andrew Horchler, CC BY-ND

We kunnen gebruiken Aplysia weefsel om een ​​biohybride robot te activeren, wat suggereert dat we strengere biobots kunnen maken met behulp van deze veerkrachtige weefsels. De apparaten zijn groot genoeg om een ​​kleine nuttige last te dragen - ongeveer 1,5 inch lang en een inch breed.

Een verdere uitdaging bij het ontwikkelen van biobots is dat de apparaten momenteel geen enkel soort controlesysteem aan boord hebben. In plaats daarvan besturen technici ze via externe elektrische velden of licht. Om volledig autonome biohybrideapparaten te ontwikkelen, hebben we controllers nodig die direct op de spier aansluiten en sensorische input leveren aan de biohybride robot zelf. Een mogelijkheid is om neuronen of clusters van neuronen, ganglia genaamd, te gebruiken als organische controllers.

Dat is nog een reden waarom we enthousiast zijn over het gebruik ervan Aplysia in ons lab. Deze zeeslak is al tientallen jaren een modelsysteem voor neurobiologisch onderzoek. Er is al veel bekend over de relaties tussen het neurale systeem en zijn spieren. Dit opent de mogelijkheid dat we zijn neuronen kunnen gebruiken als organische controllers die de robot kunnen vertellen welke weg hij moet volgen en die hem helpen taken uit te voeren, zoals het vinden van toxines of het volgen van een licht.

Terwijl het veld nog in de kinderschoenen staat, zien onderzoekers veel intrigerende toepassingen voor biohybride robots. Onze kleine apparaten met slakweefsel kunnen bijvoorbeeld worden vrijgegeven als zwermen in watervoorzieningen of de oceaan om toxines of lekkende leidingen op te sporen. Vanwege de biocompatibiliteit van de apparaten, zouden deze omgevingssensoren theoretisch niet dezelfde bedreiging vormen voor het milieu als traditionele bouten en moeren die door het wild worden vernietigd of worden gegeten door dieren in het wild.

Op een dag konden apparaten worden gefabriceerd uit menselijke cellen en gebruikt voor medische toepassingen. Biobots kunnen gerichte medicijnafgifte bieden, klonters opruimen of dienen als compatibele activeerbare stents. Door organische substraten in plaats van polymeren te gebruiken, zouden dergelijke stents kunnen worden gebruikt om zwakke bloedvaten te versterken om aneurysma's te voorkomen - en na verloop van tijd zou de inrichting opnieuw worden gemodelleerd en in het lichaam worden geïntegreerd. Naast de kleinschalige biohybride robots die momenteel worden ontwikkeld, kan doorlopend onderzoek naar weefseltechnologie, zoals pogingen om vasculaire systemen te laten groeien, de mogelijkheid openen om grootschalige robots te laten werken die worden aangestuurd door spieren.

Victoria Webster, Ph.D. Kandidaat in Mechanical and Aerospace Engineering, Case Western Reserve University

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel. Volg alle Expert Voices-problemen en debatten - en word deel van de discussie - op Facebook, Twitter en Google +. De weergegeven meningen zijn die van de auteur en komen niet noodzakelijk overeen met de mening van de uitgever. Deze versie van het artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op WordsSideKick.com.


Video Supplement: .




Onderzoek


Navy Opent 'Hunger Games' Arena Voor Militaire Robots
Navy Opent 'Hunger Games' Arena Voor Militaire Robots

10 Van De Gekste Ontdekkingen Van 2012
10 Van De Gekste Ontdekkingen Van 2012

Science Nieuws


Waarom Cholera Niet Waarschijnlijk In Puerto Rico Is, Maar Andere Ziekten Wel
Waarom Cholera Niet Waarschijnlijk In Puerto Rico Is, Maar Andere Ziekten Wel

Hoe Ontstaat Een Zwart Gat?
Hoe Ontstaat Een Zwart Gat?

Nieuwe Depressie Rx: Get Married
Nieuwe Depressie Rx: Get Married

Wat Is Er Gebeurd Met Malaysia Flight Mh370? 5 Meest Waarschijnlijke Mogelijkheden
Wat Is Er Gebeurd Met Malaysia Flight Mh370? 5 Meest Waarschijnlijke Mogelijkheden

The Meteoric Rise Of Life?
The Meteoric Rise Of Life?


WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com