Hærens bio-inspirerede teoretiske forskning kan gøre robotter mere effektive på den fremtidige slagmark

I et forsøg på at gøre robotter mere effektive og alsidige holdkammerater for soldater i kamp, Hærens forskere er på en mission for at forstå værdien af ​​musklernes molekylære levende funktionalitet, og den grundlæggende mekanik, der skulle replikeres for kunstigt at opnå de evner, der opstår fra de proteiner, der er ansvarlige for muskelsammentrækning.

Bionanomotorer, som myosiner, der bevæger sig langs aktin-netværk, er ansvarlige for de fleste bevægelsesmetoder i alle livsformer. Dermed, udviklingen af ​​kunstige nanomotorer kunne ændre spil inden for robotforskning.

Forskere fra U.S. Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory har søgt at identificere et design, der ville tillade den kunstige nanomotor at drage fordel af Brownsk bevægelse, partiklernes egenskab til at bevæge sig ophidset, blot fordi de er varme.

CCDC ARL-forskerne mener, at forståelse og udvikling af disse grundlæggende mekanikker er et nødvendigt grundlæggende skridt mod at træffe informerede beslutninger om levedygtigheden af ​​nye retninger inden for robotteknologi, der involverer blanding af syntetisk biologi, robotteknologi, og dynamik og kontrolteknik.

Journal of Biomechanical Engineering for nylig fremhævede deres forskning.

"Ved at kontrollere stivheden af ​​forskellige geometriske træk i et simpelt arm-arm design, vi fandt ud af, at vi kunne bruge Brownsk bevægelse til at gøre nanomotoren mere i stand til at nå ønskede positioner for at skabe lineær bevægelse, " sagde Dean Culver, en forsker i CCDC ARL's Vehicle Technology Directorate. "Denne funktion i nanoskala oversætter til mere energieffektiv aktivering på makroskala, betyder robotter, der kan gøre mere for krigskæmperen over længere tid."

Ifølge Culver, beskrivelserne af proteininteraktioner i muskelsammentrækning er typisk ret højt niveau. Mere specifikt, i stedet for at beskrive de kræfter, der virker på et individuelt protein for at søge dets modstykke, foreskrevne eller empiriske hastighedsfunktioner, der dikterer de betingelser, hvorunder en binding eller en frigivelseshændelse finder sted, er blevet brugt af forskningssamfundet til at replikere denne biomekaniske proces.

"Disse bredt accepterede muskelkontraktionsmodeller er beslægtet med en sort-boks-forståelse af en bilmotor, " sagde Culver. "Mere gas, mere kraft. Den vejer så meget og fylder så meget. Forbrænding er involveret. Men, du kan ikke designe en bilmotor med den slags information på overfladeniveau. Du skal forstå, hvordan stemplerne virker, og hvor fint indsprøjtning skal tunes. Det er en forståelse af motoren på komponentniveau. Vi dykker ned i komponentniveaumekanikken i det opbyggede proteinsystem og viser design- og kontrolværdien af ​​levende funktionalitet samt en klarere forståelse af designparametre, der ville være nøglen til syntetisk reproduktion af sådan levende funktionalitet."

Culver udtalte, at kapaciteten for Brownsk bevægelse til at sparke en tøjret partikel fra en ufordelagtig elastisk position til en fordelagtig, i form af energiproduktion til en molekylær motor, er blevet illustreret af ARL på et komponentniveau, et afgørende skridt i designet af kunstige nanomotorer, der tilbyder samme ydeevne som biologiske.

"Denne forskning tilføjer en vigtig brik i puslespillet for hurtige, alsidige robotter, der kan udføre autonome taktiske manøvre- og rekognosceringsfunktioner, " sagde Culver. "Disse modeller vil være integreret i designet af distribuerede aktuatorer, der er lydløse, lav termisk signatur og effektive – funktioner, der vil gøre disse robotter mere effektive i marken."

Culver bemærkede, at de er tavse, fordi musklerne ikke laver meget støj, når de aktiverer, især sammenlignet med motorer eller servoer, kold, fordi mængden af ​​varmeudvikling i en muskel er langt mindre end en sammenlignelig motor, og effektiv på grund af fordelene ved den distribuerede kemiske energimodel og potentielle flugt via Brownsk bevægelse.

Ifølge Culver, bredden af ​​applikationer for aktuatorer inspireret af de biomolekylære maskiner i dyremuskler er stadig ukendt, men mange af de eksisterende applikationsområder har tydelige hærapplikationer såsom bio-inspireret robotteknologi, nanomaskiner og energihøst.

"Fundamental og sonderende forskning på dette område er derfor en klog investering for vores fremtidige krigskæmperkapaciteter, sagde Culver.

Bevæger sig fremad, der er to primære udvidelser af denne forskning.

"Først, vi skal bedre forstå, hvordan molekyler, ligesom den forbundne partikel diskuteret i vores papir, interagere med hinanden i mere komplicerede miljøer, " sagde Culver. "I avisen, vi ser, hvordan en bundet partikel med fordel kan udnytte Brownsk bevægelse til fordel for muskelsammentrækningen generelt, men partiklen i denne første model er i et idealiseret miljø. I vores kroppe, det er nedsænket i en væske, der bærer mange forskellige ioner og energibærende molekyler i opløsning. Det er den sidste brik i puslespillet for enmotoren, modeller af molekylære motorer i nanoskala."

Den anden forlængelse, sagde Culver, er at gentage denne undersøgelse med en fuld 3-D model, baner vejen for opskalering til praktiske designs.

Også bemærkelsesværdigt er det faktum, at fordi denne forskning er så ung, ARL-forskere brugte dette projekt til at etablere relationer med andre efterforskere i det akademiske samfund.

"At læne sig op ad deres ekspertise vil være afgørende i de kommende år, og vi har gjort et godt stykke arbejde med at nå ud til fakultetsmedlemmer og forskere fra steder som University of Washington, Duke University og Carnegie Mellon University, sagde Culver.

Ifølge Culver, at tage dette forskningsprojekt ind i de næste skridt med hjælp fra samarbejdspartnere vil føre til enorme kapaciteter for fremtidige soldater i kamp, et kritisk krav i betragtning af arten af ​​den stadigt skiftende slagmark.