Legetøjstransformatorer og virkelige hvaler inspirerer biohybrid robot

Henter inspiration fra biologi og legetøjshylden, forskere ved Thayer School of Engineering ved Dartmouth College og City University of Hong Kong har udviklet en svømmerobot med en lysstyret cellulær motor, der kan udføre meget målrettet medicinafgivelse.

Forskere kombinerede hjertevævsteknik, en 3-D-printet vingestruktur og en lysfølsom gel til at producere den bløde robot med start-stop-evne. Den omskiftelige enhed forvandler sin form, når den udsættes for hudgennemtrængende nær-infrarødt lys, får den til at køre og bremse gennem flydende miljøer som den menneskelige blodstrøm.

Den transformerbare enhed forbedrer dramatisk anvendeligheden af ​​robotter designet til at arbejde inde i den menneskelige krop og andre ukonventionelle arbejdsmiljøer.

Forskerholdet ved City University of Hong Kong producerede det originale robotdesign og udførte de eksperimentelle tests. Dartmouth-teamet udførte mekanisk og numerisk analyse på enheden og foreslog ændringer til designelementer som størrelse og form.

"Med denne teknologi kan vi skabe bløde transformerbare robotter med hidtil uset manøvredygtighed, " sagde Zi Chen, en adjunkt i ingeniørvidenskab ved Thayer. "Vores inspiration kom fra transformerbart legetøj, der har forskellige konfigurationer og funktionalitet. Resultatet er intet legetøj, det kan bogstaveligt talt ændre folks liv."

Levende organismer er i stand til at ændre form for at udføre specifikke handlinger. Et pindsvin krøller sig ind i en bold til forsvar. Fugle spreder deres vinger for at flyve. Kødædende planter som Venus-fluefælden åbner og lukker. Det nye studie er en del af en langsigtet indsats for at udvikle robotter, der efterligner denne formændrende adfærd, der findes i naturen.

For at være effektiv, den nye generation af robotter skal være energieffektive, og de skal være i stand til at reagere på forskellige typer af stimuli, som lys eller varme.

Mens der allerede findes eksempler på disse typer robotter, forskere har kæmpet for at skabe en enhed, der flydende transformerer sin form, så den kan starte og stoppe med at bevæge sig efter behov. De fleste eksisterende systemer afhænger også af temperaturvariationer, som er svære at stimulere i den menneskelige krop på grund af dens næsten konstante temperatur.

"Evnen til at styre robottens bevægelse ved hjælp af lys skaber en meget mere funktionel enhed, der kan betjenes med høj præcision, " sagde Xiaomin Han, en nylig ph.d. kandidat fra Chen Research Lab i Thayer.

Den fjernstyrede robot er drevet af en halefinne, der efterligner hvalers svømmende handling. Strukturen blev 3-D printet i form af en flyvinge og derefter belagt med hjertemuskelceller. På samme måde som kardiomyocytter får hjertet til at slå konstant, de driver også denne biohybride enhed gennem en konstant bølgende handling.

For at styre robottens bevægelse, forskere anvendte lysfølsomme hydrogeler på vingerne. I mangel af lys, vingerne udfolder sig, tillader hjertecellerne at drive det fremad. Når de udsættes for lys, det flydende fly trækker sine vinger tilbage, får det til at stoppe.

"Hjertemusklerne bliver ved med at buldre, men de er ude af stand til at overvinde vingernes stopkraft, " sagde Chen. "Det er som at træde på speederpedalen med nødbremsen på."

Robottens høje følsomhed over for nær-infrarødt lys skaber en responsrate, der tillader en næsten øjeblikkelig transformation af vingeformen, så den er meget manøvredygtig. I undersøgelsen, forskere brugte den "hidtil usete kontrollerbarhed og reaktionsevne" af den flydende flyrobot som en lastbærer til at udføre målrettet lægemiddellevering mod kræftceller.

"Vi smed bogstaveligt talt narkotikabomber på kræftceller, " sagde Chen. "Realiseringen af ​​det transformerbare koncept baner en vej for potentiel udvikling af næste generation af intelligente biohybride robotsystemer."

Biohybridrobotten kan produceres i en række størrelser lige fra flere millimeter til snesevis af centimeter. En sådan skalerbarhed giver det god fleksibilitet til at påtage sig opgaver relateret til navigation og overvågning i vanskelige miljøer.

En undersøgelse, der beskriver forskningen, dukkede først op i det akademiske tidsskrift Lille sidst i marts.

I den aktuelle undersøgelse, forskere styrer start-stop-bevægelse af hele robotten gennem brugen af ​​lys. Fremtidig forskning vil bruge lys til at målrette separate vinger på robotten, så den kan styres med endnu mere præcision.

Denne forskning blev produceret med Peng Shi og Bingzhe Xu fra City University of Hong Kong. Yuwei Hu og Chia-Hung Chen fra National University of Singapore og Yiming Luo fra Hubei University of Technology bidrog også til undersøgelsen.