Mikroelektronik indlejret i levende vandmænd forbedrer fremdriften

Forskere i robotmaterialer sigter mod kunstigt at kontrollere dyrs bevægelse for at løse de eksisterende udfordringer med aktivering, kontrol- og effektkrav i blød robotteknologi. I en ny rapport i Videnskabens fremskridt , Nicole W. Xu og John O. Dabiri ved afdelingerne for bioingeniør, civil- og miljøteknik og maskinteknik ved Stanford University præsenterede en biohybrid robot, der brugte mikroelektronik ombord til at fremkalde svømning i levende vandmænd. De målte evnen til at forbedre fremdriften væsentligt ved at drive kropssammentrækninger ved et optimalt frekvensområde hurtigere end naturlig adfærd. Manøvren øgede svømmehastigheden næsten tre gange, dog med kun en dobbelt stigning i dyrets metaboliske forbrug og 10 mW ekstern effekttilførsel til mikroelektronikken. Biohybridrobotten brugte 10 til 1000 gange mindre ekstern strøm pr. masse end tidligere rapporterede vandrobotter. Muligheden kan forbedre ydeevneomfanget af biohybride robotter i forhold til native ydeevne, med potentielle anvendelser som biohybride havovervågningsrobotter.

Vandmænd er en overbevisende modelorganisme til at danne energieffektive undervandsfartøjer på grund af deres lave transportomkostninger (COT). Eksisterende biomimetiske robotter af svømmende dyr, der udelukkende er bygget af konstruerede materialer, kan opnå hastigheder, der kan sammenlignes med naturlige dyr, men med størrelsesordener mindre effektive end vandmænd. Biohybride vandmandsrobotter kan derfor integrere levende dyr for at løse eksisterende udfordringer med blød robotteknologi. Forskere kan bruge vandmandsstrukturen til aktivering og løse strømkrav ved at udforske naturlig fodringsadfærd, hvor de udvinder kemisk energi fra byttedyr in situ. Tilgangen kan også tillade genopretning fra skade via naturlige sårhelingsprocesser, der er iboende for dyret, kontrollere dyrs bevægelse og tillade yderligere undersøgelser af levende organismers biomekanik i brugerkontrollerede eksperimenter. I dette studie, Xu og Dabiri brugte et system af mikroelektronik til eksternt at kontrollere en levende vandmand og danne en biohybrid robot til at fremme videnskab og teknik inden for akvatisk bevægelse.

For at aktivere vandmænd som et naturligt stillads, holdet brugte dyrets eget basale stofskifte til at reducere yderligere kraftbehov og udnyttede dets muskler til aktivering, mens de stolede på selvhelbredende og vævsregenererende egenskaber for øget skadetolerance. Holdet antog, at øgede klokkekontraktionsfrekvenser for vandmænd kunne øge svømmehastigheden op til en grænse. De styrede derfor eksternt frekvensen af ​​pulser hos fritsvømmende dyr ved at måle svømmehastigheden og iltindtaget for at beregne transportomkostningerne (COT) og teste deres arbejdshypotese. Tidligere var sådanne undersøgelser kun mulige gennem beregningsmæssige eller teoretiske modeller.

Xu et al. udvalgte Aurelia aurita som en modelorganisme; en oblate art af vandmænd, der indeholder en fleksibel mesogleal klokke og et enkelt lag af koronale og radiale muskler, der beklæder subumbrellaoverfladen. For at svømme, organismerne trak musklerne sammen for at mindske rumfanget i det subumbrella hulrum og udstøde vand for at give en drivkraft sideløbende med yderligere bidrag fra passiv energigenvinding og sugebaseret fremdrift. For at starte disse muskelsammentrækninger, vandmændene aktiverede enhver af dens lette pacemakere placeret i sensororganerne kendt som rhopalia langs klokkekanten. Disse nerveklynger aktiverede hele det motoriske nervenett for at forårsage tovejs muskelbølgeudbredelse, der stammede fra de aktiverede pacemakere under naturlig udbredelse.

Robotdesignintegration i levende vandmænd og enhedsvalidering

Forskerne konstruerede først en bærbar, selvstændig mikroelektronisk svømmecontroller til at generere en firkantet pulsbølge og stimulere muskelsammentrækninger fra 0,25 Hz til 1,00 Hz. De sammensatte controlleren med en TinyLily mini-processor og en 10 mAh lithium polymer celle. For visuelt at bekræfte det elektriske signal, Xu et al. forbundet ledningerne i serie til TinyLily lysemitterende dioder (LED'er). Derefter indsatte de elektroder bilateralt i subumbrellavævet og holdt systemet naturligt flydende med rustfri stålskiver og kork. For at validere, at svømmecontrolleren eksternt kunne kontrollere vandmænds klokkesammentrækninger, forskerne udviklede en metode til at spore bevægelsen af ​​klokkekanten. For det, de gennemførte tre sæt eksperimenter, (1) at observere endogene sammentrækninger af organismen i fravær af forstyrrelser, (2) at observere, om mekanisk indlejring af inaktive elektroder påvirkede naturlig dyreadfærd og (3) at teste stimuleringsprotokoller for at bekræfte eksternt drevne sammentrækninger.

De fandt, at naturlig dyreadfærd (eller endogen kontraktion) var uregelmæssig med høj pulsfrekvensvariabilitet - inklusive en gennemsnitlig spidsfrekvens på 0,16 Hz. En inaktiv elektrode ændrede ikke signifikant frekvensspektrene, mens eksternt drevne kontraktioner viste en fysiologisk grænse for vandmænds muskelkontraktioner mellem 1,4 Hz til 1,5 Hz. Holdet gennemførte svømmeforsøg med det implanterede system i en saltvandstank og normaliserede de målte svømmehastigheder for at tage højde for variation i dyrestørrelse. De skalerede den normaliserede svømmehastighed med gennemsnittet af den normaliserede hastighed i fravær af stimulering (dvs. 0 Hz) for at bestemme forstærkningsfaktoren. Den maksimale forbedringsfaktor var op til 2,8 gange dyrenes naturlige svømmehastighed, dvs. svømmehastigheden blev forbedret op til 2,8 gange ved hjælp af indbygget mikroelektronik.

Meget effektivt enheds strømforbrug

De kunstigt kontrollerede vandmænd krævede ekstern strøm fra det mikroelektroniske system og indre kraft fra dyrenes eget stofskifte. Når der køres med stigende frekvenser, det mikroelektroniske system af den biohybride robotvandmand forbrugte større watt pr. kg. Imidlertid, sammenlignet med eksisterende robotter, denne biohybrid robot brugte op til 1000 gange mindre ekstern strøm. Xu et al. sammenlignede denne prototype med medusoid- og robotstrålen fremstillet af rotte-kardiomyocytter udsået på siliciumstilladser, og med rent mekaniske robotter samt autonome undervandsfartøjer (AUV'er). Ud over de omkostningseffektive fordele ved lavt eksternt strømforbrug pr. masse af biohybridrobotten, det mikroelektroniske system koster kun mindre end $20 fra kommercielt tilgængelige komponenter. Elektrolokationen var også uspecifik, og dyrene kom sig straks efter forsøgene.

The new capability of external control allowed Xu et al. to address the relationship between swimming frequency and metabolic rate. Oxygen consumption rates followed a similar pattern to enhanced swimming speeds, and the scientists calculated the equivalent cost of transport using both experimental metabolic rates and experimental swimming speeds. The COT increased at mid-range frequencies and decreased at high external stimulation frequencies. The results showed that enhanced jellyfish swimming did not cause undue cost to the metabolism or health of the animal.

The main robotic limit of the study was the power requirement of the microelectronic system relative to animal versus microelectronic power needs. Further improvement to microelectronics can decrease the energetic costs and extended studies can also strive to minimize endogenous animal contractions without harming the organism to improve controllability of live-animal-based biohybrid robots. The artificial control of jellyfish can expand ocean monitoring techniques with improved controllability by incorporating microelectronic sensors to leverage the existing tagging technology.

© 2020 Science X Network