Учёные создали робота-скату с мышцей лягушки вместо мотора

Учёные из Shenyang Institute of Automation (SIA) китайской академии наук построили робота-скату, чьи плавники приводит в движение настоящая биологическая мышца. Это исследование демонстрирует новое направление в робототехнике — биосинтетическую робототехнику, которая интегрирует живые ткани в машины для замены традиционных электромеханических компонентов.

Откуда взяли мышцу и почему она лучше искусственной

Мышца была извлечена из ноги булавки — конкретно, это была грациллис, длинная скелетная мышца. Команда выбрала натуральную ткань вместо выращенной в лаборатории, потому что инженерные мышцы из культивированных клеток оказались слишком слабыми для эффективного управления роботом. Натуральная мышца сохраняет естественную организацию волокон, что обеспечивает значительно лучшую производительность при сокращении.

Как мышца производит силу

При оптимальной стимуляции в 1 Hz, 5 V и 10 миллисекунд на импульс мышца производила около 6,5 ньютонов силы сокращения и укорачивалась примерно на 25%. В более экстремальных условиях пиковая сила достигала 9,4 ньютонов. Ткань оставалась электрически чувствительной в течение 11 дней и надёжно приводила робота в движение на протяжении семи дней.

Система управления без проводов

Главная проблема биогибридных роботов — как подать электрические импульсы к мышце без проводов. Предыдущий робот-скат команды требовал восьми платиновых электродов, расположенных вокруг него в специальной среде. Новая версия решает эту проблему с помощью крошечных фотоэлектрических модулей из арсенида галлия (GaAs), установленных на спинной поверхности робота. Оператор направляет на них лазер с длиной волны 808 нанометров, ячейки преобразуют свет в электричество, и полученный сигнал передаётся к нервам на поверхности мышцы, вызывая её сокращение. Левая и правая стороны могут управляться отдельно, что позволяет контролировать последовательность сокращений и достигать поворотов.

Как робот плывёт

Робот имитирует движения настоящего ската, используя мышцы для управления гибкими плавниками. Когда электрическая стимуляция вызывает сокращение, мышца тянет конструкцию, заставляя плавники махать и создавая тягу. Управление обеими сторонами вместе движет робота вперёд, а изменение паттернов активации создаёт асимметричную тягу для манёвров.

Достигнутые результаты

Робот достиг среднюю скорость прямолинейного движения 0,54 длины тела в секунду, что эквивалентно примерно 2,7 сантиметра в секунду. Кратковременно робот достигал двух длин тела в секунду — это, по словам исследователей, самая высокая относительная скорость движения вперёд, когда-либо зафиксированная для робота, приводимого в движение скелетной мышцей.

Значение для будущего

Исследование показывает, что природные решения, совершенствовавшиеся сотни миллионов лет, могут быть эффективнее искусственных аналогов. Скелетная мышца — это компактный, гибкий и высокоэффективный привод, который одновременно функционирует как собственная сложная механическая трансмиссия. По словам исследователя Dr. Chuang Zhang, «впервые мы связали нативную изолированную скелетную мышцу с беспроводной оптоэлектронной системой нейростимуляции. Наша работа подтверждает, что натуральная мышечная ткань является высокопроизводительным биологическим приводом».

Это данные исследования, а не медицинский совет.