Zelflerende Zwemmende Biohybride Robots: Adaptieve Zachte Robotica Vooruitgang

Robotici streven ernaar wat natuurlijke biologische entiteiten hebben bereikt — acties als bewegen, aanpassen aan de omgeving, of voelen. Naast traditionele starre robots, is het veld van zachte robotica recentelijk ontstaan met behulp van compliant, flexibele materialen die in staat zijn om efficiënter aan hun omgeving aan te passen dan harde materialen. Met dit doel voor ogen, hebben wetenschappers gewerkt op het veld van biohybride robots of biobots. Deze zijn doorgaans samengesteld uit spierweefsel, ofwel cardiaal ofwel skelet, en een kunstmatig steigerwerk dat kruipen, grijpen, of zwemmen kan bereiken. Helaas zijn huidige biobots niet in staat om de prestaties van natuurlijke entiteiten na te bootsen in termen van mobiliteit en kracht.

Onderzoekers hebben beide uitdagingen overwonnen door bio-engineering tools te gebruiken. Ze hebben 3D-bioprinting en engineering design toegepast voor de ontwikkeling van biobots op centimeterschaal die kunnen zwemmen en glijden als vissen met ongekende snelheden. De sleutel is het gebruik van de spontane contractie van spiercel-gebaseerde materialen met een zeer compliant skelet.

In plaats van te werken met stijve of aangespannen steigerwerken om kunstmatige robots te maken, gebruikten de onderzoekers biologische robots gebaseerd op een flexibele serpentine veer gemaakt van een polymer genaamd PDMS, wat ontworpen en geoptimaliseerd werd via simulaties en vervolgens geprint met 3D-printtechnologie. Het voordeel van dit innovatieve steigerwerk ligt in de verbeterde training en ontwikkeling van het weefsel door mechanische zelf-stimulatie bij spontane contracties, wat een feedbacklus creërt door de herstellende kracht van de veer. Deze zelf-lerende gebeurtenis leidt tot verbeterde actuatie en grotere contractiekracht. Zulke serpentine veren zijn eerder niet opgenomen in een zacht robotisch levend systeem. Naast de capaciteit om zich zelf te trainen, bewogen de biohybride zwemmers gebaseerd op skeletspiercellen met snelheden 791 keer sneller dan huidige skeletspier-gebaseerde biobots en waren vergelijkbaar met andere cardiomyocyte-gebaseerde bioswimmers (gebaseerd op hartcellen).

De nieuwe biobots waren ook in staat om andere bewegingen uit te voeren. Ze konden glijden wanneer ze vlakbij de bodemoppervlakte geplaatst werden, gelijkend op de zwemstijl van bepaalde vissen gekenmerkt door sporadische bursts gevolgd door glijdfasen.

Het werk heeft ook toepassingen in geneesmiddelaflevering en ontwikkeling van bionische prothesen.