Вдохновившись механизмом плавания скатов манта, которых еще называют гигантскими морскими дьяволами, команда из Шэньянского института автоматизации Китайской академии наук (CAS) разработала беспроводного биосинкратического робота-ската. Управляется он ближним инфракрасным светом, а в движение его приводят изолированные скелетные мышцы лягушки-быка.
Биосинкретическая робототехника, объединяющая живые биологические материалы с неживыми электромеханическими системами на молекулярном, клеточном и тканевом уровнях, стремительно развивается. Такие системы обладают высокой энергоэффективностью, способностью к самовосстановлению и биосовместимостью. Однако существующие биосинкретические роботы, приводимые в движение скелетными мышцами, уже давно ограничены низкой силой воздействия, плохой маневренностью и привязкой к источнику энергии, что ограничивает их применение в реальных условиях.
Вместо того чтобы полагаться на искусственно созданные, реконструированные в лаборатории мышечные ткани, которые широко используются в этой области, ученые использовали в качестве привода тонкую мышцу лягушки Rana catesbeiana. Эта натуральная ткань имеет высокоупорядоченную волокнистую структуру и превосходит по сократительной способности мышцы, реконструированные в лаборатории. При оптимизации параметров электростимуляции (1 Гц, 5 В, 10 мс) она стабильно развивала сократительную силу в 6,5 Н, а в экстремальных условиях — до 9,4 Н. Тесты на культуре in vitro подтвердили, что мышца сохраняла электросократительную активность до 11 дней и надежно обеспечивала энергией робота в течение семи дней непрерывной работы.
Для автономного управления команда разработала интегрированную приводную архитектуру, сочетающую в себе лазерное облучение в ближней инфракрасной области спектра (БИК), фотоэлектрическое преобразование и нейростимуляцию. Модули солнечных батарей из арсенида галлия (GaAs) были установлены на спине робота.
Благодаря выборочному по времени и области лазерному облучению с длиной волны 808 нм на левую и правую фотоэлектрические панели можно было независимо управлять двусторонними сокращениями мышц без каких-либо физических привязок. Это позволяло роботу плыть прямо, поворачивать, двигаться по кругу и разворачиваться. Такой подход не требует генетической модификации биологической ткани и значительно расширяет возможности применения биосинкратических роботов в водной среде.
Тесты показали, что робот способен развивать среднюю скорость плавания по прямой в 0,54 длины тела в секунду (ДТС/с), а его мгновенная пиковая скорость составляет 2 ДТС/с — это самая высокая относительная скорость движения вперед, когда-либо зафиксированная у биосинкратического робота, приводимого в движение скелетными мышцами. Полный круг он проходит всего за 17 секунд.
Помимо передвижения под водой, робот способен двигаться по поверхности, нести подводную полезную нагрузку весом до 5 граммов и выполнять низко‑скоростные криволинейные движения по твердым поверхностям.
Команда планирует сосредоточиться на оптимизации стратегий культивирования мышц in vitro для увеличения продолжительности жизни, разработке гибких тонкопленочных электродов, подобных нейронам, для более равномерной активации, а также на интеграции фотоэлектрических систем с бортовыми накопителями для автономной работы.
Ранее китайский робот побил рекорд Усэйна Болта на стометровке.