Роботы: Будущее рядом: роботы из биологических тканей
4 года назад 1212 popmech.ru hightech.fm 24gadget.ru Олег Сабитов, Святослав Иванов, Артур Киреев, Ильнур Шарафиев, Ася Чертовских0
Сокращением искусственно выращенных мышц удалось управлять с помощью спинного мозга крысы.
Разнообразие и безупречное устройство живых организмов всегда вдохновляли художников и инженеров. Сейчас робототехники копируют строение, способы передвижения и даже манеры поведения живых существ, так идеально сконструированных природой в ходе эволюции. Чтобы имитировать сложные моторные функции, задействованные при прыжках, плавании и беге, роботов собирают из пластичных материалов. Роботы из гидрогелей, мягких пластиков и металлов, вроде алюминия, двигаются плавно, могут захватывать предметы, преодолевать препятствия и перемещаться под водой.
Тем не менее, искусственные материалы пока не способны превзойти живые ткани в функциональности. Поэтому исследователи пытаются объединить свойства искусственных и биологических тканей в гибридных механических системах. Клетки сердечных и скелетных мышц уже опробованы в работе вне тела.
Ткани сердца обеспечивают ритмичные сокращения и не требуют внешних устройств для запуска движения. Но частота сокращений при этом меняется мало. Мышцы двигательного аппарата живых существ, напротив, обеспечивают широкий спектр движений. Гибриды инженерной мышечной ткани с живыми клетками способны постоянно сокращаться в течение 250 дней, но нуждаются во внешнем механизме управления. У позвоночных контроль за сокращением мышц обеспечивает нервная система: ствол мозга и спинной мозг.
Стимуляция инженерной мышечной ткани электрическими полями, химическими препаратами и светом не могут заменить слаженную работу нервной системы. Новая работа исследователей из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне демонстрирует гибридного биоробота, искусственными мышцами которого управляет настоящий спинной мозг крысы. Работа, опубликованная в журнале APL Bioengineering, показала, что в спинном мозге есть шаблоны сокращений, и участие ствола в регуляции движений не требуется.
Поперечное сечение спинного мозга крысы, на котором видны нейроны
В экспериментах ученые извлекли спинной мозг из поясничного отдела позвоночника новорожденных крыс. К нейронам этой области прикрепляются мышцы задних конечностей. Мышечные ткани искусственно выращивали на столбчатых «сухожилиях» из полиэтиленгликоля (ПЭГ), напечатанном на 3D-принтере. Вокруг столбов высевали гель, состоящий из белков миобластов, предшественников мышечных клеток тела, и белков крови. На стадии развития искусственных мышц, которая соответствовала «возрасту» спинного мозга при естественном эмбриональном росте, мышцы соединили с нейронами извлеченного спинного мозга крысы.
Нейроны спинного мозга крысы, соединившиеся с искусственными мышцами
Через 7 дней после введения спинного мозга в выращенную мышечную ткань двигательные нейроны проросли в искусственные мышцы и начали проявлять электрическую активность, вызывая сокращения в мышцах. Спинной мозг воспроизвел деятельность периферической нервной системы по управлению двигательными функциями живого организма, находясь вне тела! Сокращения мышц были спонтанными. Чтобы вызвать сокращения в определенных мышцах, связанные с ними нейроны стимулировали глутаматом. Препарат с противоположными глутамату свойствами блокировал сокращения искусственных мышц. Комбинация препаратов позволила создать сложный рисунок движения биоробота с нужной амплитудой и в требуемой последовательности.
Способность наблюдать деятельность спинного мозга вне организма пригодится в медицинских исследованиях. Например, при изучении болезни Лу Герига, также известной как боковой амиотрофический склероз. Заболевание приводит к гибели нейронов и возможной потере двигательной функции. Замена мышц и тканей спинного мозга на гибридную систему, разработанную учеными, поможет отследить процессы взаимодействия больных нейронов со здоровыми тканями. Биоробот также пригодится в учебных операциях будущих хирургов и при разработке медицинских препаратов.
Ученые создали робота, который поглощает алюминий для движения (видео)
Ученые создали робота, который поглощает алюминий для движения. Разработка исследователей из Университета Пенсильвании описана в журнале ACS Energy Letters.
Аккумуляторы используются в подавляющем большинстве современных устройств, однако с развитием робототехники они становятся не идеальными вариантами питания — в первую очередь, из-за большого веса и маленькой емкости.
Некоторые устройства могут собирать энергию из окружающей среды, но пока делают это не очень эффективно. В новой работе исследователи создали робота, который в качестве питания собирает не солнечный свет, а металл из окружающей среды.
Робот получил название MAS — в него встроена батарея классической конструкции: с катодом, анодом и электролитом. Отличие заключается в том, что анод не встроен внутрь батареи — его роль выполняет любая металлическая поверхность, по которой движется робот.
Катод изготовлен из углерода и покрыт политетрафторэтиленом (ПТФЭ) и нанобусинами из платины. Электролит представляет собой гидрогель, содержащий соленую воду. Когда соляной раствор находится над металлической поверхностью, он окисляет металл, разрушая химические связи — так робот приводит себя в действие.
Гибкий микроробот сможет выдержать практически любую деформацию (видео)
Ученые создали крошечного самоходного робота, который сможет выдержать практически любую деформацию. Размер электронного микроробота составляет не больше монеты в 1 цент, говорится в исследовании международной группы ученых под руководством доктора Оливера Шмидта из Хемницкого технологического университета (TU Chemnitz), опубликованном в журнале Nature.
Впервые робот этой исследовательской группы был представлен еще 10 лет назад, все эти годы ученые дорабатывали технологию, чтобы сделать устройство более гибким и самостоятельным.
Шмидт и его коллеги для создания нового устройства изготовили гибкую микросистему с помощью интеграции микро- и наноэлектронных компонентов на поверхности микросхемы, аналогично тому, как кремниевая технология используется для создания компьютерных микросхем. Однако ключевое различие между их системой и обычными компьютерными чипами заключается в том, что такая конструкция включает в себя реактивные двигатели.
Мы впервые начали исследовать идею создания крошечной микророботной системы, которая самостоятельно передвигается от мощного реактивного двигателя и имеет микроэлектронные компоненты на борту, почти десять лет назад. Наша первоначальная идея состояла в том, чтобы создать интеллектуальную самоходную микросистему, которая может взаимодействовать с отдельными биологическими клетками, размеры которых аналогичны самой микросистеме. Эта система должна иметь возможность перемещаться, ощущать окружающую среду, перевозить грузы, доставлять наркотики.
Оливер Шмидт
В ходе исследования ученые нанесли на чип материалы с высоким напряжением, которые сворачиваются в специальные структуры в случае необходимости. Этот процесс можно контролировать.
Гипотетически ученые планируют использовать таких роботов для работы в человеческом организме, однако сейчас робот еще недостаточно эффективен для таких процедур.
Робот-многоножка использует искусственные нейроны для изменения походки (видео)
Робот-многоножка использует искусственные нейроны для изменения походки. К такому поведению в естественной среде прибегают насекомые — они меняют походку в ответ на внешние раздражители. Работа ученых из Университета Севильи описана на Fundación Descubre.
3D-печатный шестиногий робот получил название NeuroPod. В процессор, который управляет им, встроены 30 искусственных нейронов — они получают электронные стимулы в виде различных сигналов, передаваемых от смежного проводного компьютера.
В ответ на эти сигналы нейроны мгновенно посылают команды 18 серводвигателям, которые управляют ногами робота. Как только сигнал получен, NeuroPod плавно переключается между различными типами походки — например, бегом или рысью.
Пока движения робота выглядят довольно неловкими, однако инженеры планируют доработать конструкцию, чтобы NeuroPod мог двигаться более плавно. Кроме того, в ближайшее время ученые намерены оборудовать робота визуальными и слуховыми датчиками, которые позволят ему реагировать на сигналы окружающей среды.
Протестированная с помощью робота нейросеть в будущем может использоваться в протезах с механическим приводом для быстрого переключения между выполнением различных действий в ответ на команды пользователя, отмечают авторы исследования.
Мягкие роботы подчинились магнитному полю
Найден способ дистанционного управления пластичными роботами. Вместо громоздких приводов,кабелей и механических конструкций движение гибких частей машин будет регулироваться переменным магнитным полем. Способ позволил достичь большей функциональности,чем классические методы управления роботами.
Роботы из мягких материалов, таких как резина и полимеры, незаменимы при поисково-спасательных работах, когда необходимо протискиваться через узкие отверстия и совершать при этом сложные манипуляции. Широкий функционал требуется и медицинским устройствам, которые перемещаются внутри человеческого тела.
Управлять «гибкими» роботами из мягких материалов до недавнего времени могли лишь с помощью приводных механизмов, которые нередко были больше самих роботов. Исследователи из Висконсинского университета придумали способ дистанционного управления «мягкими» роботами и сообщили о своей разработке в журнал Physical Review Letters.
Внутри пластичного материала равномерно распределили мелкие намагниченные частицы. Затем на материал действовали магнитным полем различной интенсивности, получая требуемый отклик от частей материала. Новый подход к управлению пластичными материалами с помощью магнитного поля раскрыл даже больший функционал, чем механические способы регулирования движения.
Робот «Патрик» из «Спанч Боба» исследует морское дно с помощью мягких ножек (видео)
Робот «Патрик» из «Спанч Боба» исследует морское дно с помощью мягких ножек, приводимых в действие с помощью проводов с эффектом памяти. Об этом пишут исследователи из университета Карнеги-Меллона в статье на arXiv.
Создавая робота PATRICK, разработчики вдохновлялись природой — за основу они взяли поведение морской звезды, которая ползает по морскому дну, используя все пять своих ног.
«Эта работа стала естественным продолжением предыдущей работы нашей лаборатории по созданию мягких роботов с использованием мышечного провода вместо электродвигателей», — рассказал один из исследователей, проводивших исследование. «Мы вдохновлялись змеехвостками, очень похожими на морскую звезду».
Исследователи намеревались разработать мягкого робота, который бы выполнял простые миссии под водой. Но разработка также помогла понять поведение змеехвостки при подводном ползании. Чтобы воспроизвести ее способность ходить под водой, робота PATRICK не привязывали к внешнему оборудованию, поскольку это мешает свободно перемещаться.
PATRICK имеет пять конечностей, приводимых в движение катушками с проводами. Они выполнены из металла, имеющего ряд преимуществ, включая высокую гибкость при комнатной температуре и уникальное поведение при нагревании. Когда на него подается электрический ток, металл быстро нагревается и возвращается к той форме, которую приобрел в прошлом.
«Мы используем эти изменяющие форму катушки как своего рода “мышц”, заставляя ноги робота изгибаться в нужных направлениях, — сказал Паттерсон. — Робот в основном сделан из силикона, что делает его очень гибким и водонепроницаемым».
Кроме того, робот в буквальном смысле чувствует окружающую среду и выбирает, в каком направлении двигаться самостоятельно. Чтобы достичь этого, исследователи разработали структуру, позволяющую роботу связываться с устройствами вне воды, пока он погружен, посредством беспроводной связи.
Податливость позволила роботу «прыгнуть» выше головы
Миниатюрный четырехногий робот из мягких материалов смог преодолеть препятствие,почти в 1,5 раза выше,чем он сам. В будущем подобные роботы пригодятся при работах на пересеченной местности.
Создание миниатюрных роботов — крайне перспективное направление. На них уходит меньше дорогостоящих материалов. Плюс, готовые машины могут работать в непростых условиях: на местности с кучей препятствий и в ограниченных пространствах, например, под обломками обвалившихся зданий. О подобной разработке мы писали ранее в заметке о роботе Патрике — механической копии морской звезды.
Не все так радужно и просто. Робототехники должны проявлять креативность, когда дело доходит до самостоятельного передвижения маленьких автоматизированных помощников. На пересеченной местности робот может застрять в яме или не справиться с высотой очередной преграды.
Исследователи из Университета Билькент в Турции создали миниатюрного робота, способного преодолевать препятствия, используя принцип «податливости формы» («body compliance») и простой двигатель. Описание разработки можно найти в журнале IEEE Robotics and Automation Letters.
«Мы использовали мягкие материалы — последнее слово в робототехнике, чтобы обеспечить требуемую гибкость конечностей робота, — сказал Онур Озкан (Onur Ozcan), один из исследователей, — Большинство мягких роботов двигаются с помощью пневматических приводов. Эти приводы хорошо работают и интегрируются с мягкими материалами, но им нужен источник сжатого воздуха, который часто делает роботов громоздкими, а иногда не допускает перемещения по местности с препятствиями».
Робот SQuad размером с ладонь имеет четыре С-образные ножки, приводимые в движение обычным двигателем постоянного тока. Большинство деталей изготовлено из мягкого материала полидиметилсилоксана (PDMS) — пластикового полимера. В испытаниях, устроенных разработчиками, SQuad хорошо проявил себя, по сравнению с роботом из жестких материалов. Четвероногий малыш сумел переползти через препятствие, в 1,44 раза превышающее его собственный рост. «Жесткий» конкурент смог преодолеть лишь 0,88 своей высоты.
Робот SQuad преодолевает препятствие
В дальнейшем исследователи и дальше будут совершенствовать методы передвижения миниатюрных роботов. Будут испытаны новые материалы, а также продуман механизм временного сокращения размеров механического тела, чтобы роботы могли протискиваться в отверстия меньшие, чем их поперечное сечение. Уже сейчас SQuad пригодится в разведывательных миссиях по пересеченной местности. Достаточно лишь снабдить его крошечной камерой и средством передачи сигнала. Если же добавить в арсенал робота микрофон, его смело можно посылать в спасательные операции под обвалы построек, где могут находиться выжившие.
Новый позвоночник сделал мягких роботов в 3 раза быстрее (видео)
Новый позвоночник сделал мягких роботов в 3 раза быстрее. Он позволяет правильно распределять вес и избегать лишнего трения с поверхностью.
Позвоночник LEAP (Leveraging Elastic instabilities for Amplified Performance), разработанный Цзе Инь из Университета штата Северная Каролина, позволяет роботам частично копировать устройство тела гепардов. Обычно мягкие роботы передвигаются по твердой поверхности, всегда удерживая все четыре лапы на поверхности. Это сильно ограничивает их скорость.
Проблему может решить позвоночник LEAP, который позволяет перемещать вес устройства с одних лап на другие без потери равновесия. С помощью нового позвоночника мягкие роботы могут двигаться минимум в 3 раза быстрее, перемещаясь на 2,7 длины тела в секунду. При этом устройство лучше преодолевает наклоны. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Science Advances, позвоночник можно использовать даже под водой — роботы-рыбы становятся на 32-122% быстрее, чем аналоги.
«Теперь мы можем быстро переключаться между состояниями — именно это высвобождает значительное количество энергии, позволяя роботу быстро перемещаться, — отметил Инь в недавнем пресс-релизе NCSU. — Это поможет роботу галопом двигаться по поверхности — его ноги поочередно отрываются от поверхности».
Механизм LEAP можно масштабировать — ученые планируют представить большую и маленькую версию позвоночника. Поэтому в будущем они планируют использовать его как мелких устройствах, так и в роботах, которые будут имитировать гепардов.
Новые роботы смогут собираться в мебель и двигаться по комнате (видео)
Инженеры представили прототип роботов Roombot, которые могут самостоятельно собираться в различные структуры с помощью электромоторов. Статья ученых из Федеральной политехнической школы Лозанны опубликована в издании Robotics and Autonomous Systems.
Роботы Roombot, разработанные Симоном Хаузером и Мехметом Мутлу из Федеральной политехнической школы Лозанны, представляют собой отдельные блоки, которые могут существовать и как отдельные элементы, и собираться в единый роботизированный организм. Каждый робот состоит из двух небольших частей, сцепленных друг с другом. Эти части можно скреплять и с другими роботами.
Компоненты робота
Каждое устройство оснащено электромотором, благодаря которому роботы могут вращаться относительно своей оси, что позволяет им образовывать сложные структуры. Для этого Roombot может повернуться к соседнему роботу и совместить все контактные площадки друг с другом.
В рамках испытаний инженеры позволили роботам собраться в стул, а также добавили их в качестве колес к предметам мебели. Инженеры отмечают, что пока роботы полностью не могут самостоятельно собираться в полноценные структуры, однако в дальнейшем из Roombot можно будет делать большие цельные объекты.
Робот Х6 для мойки окон (фото + видео)
Утомительную, трудоемкую и монотонную работу по мойке наружных окон теперь сможет выполнить робот Х6, проект по производству которых открыт на краудфандинговой платформе Indiegogo. Робот-мойщик окон придет на помощь при очистке труднодоступных поверхностей высотных домов и сэкономит средства, необходимые для привлечения высокооплачиваемых профессионалов.
Робот Х6 надежно удерживается на вертикальной поверхности благодаря использованию высокоскоростного вакуумного двигателя. Перемещение по поверхности осуществляется при помощи двух запатентованных силиконовых ремней-гусениц с повышенным коэффициентом трения. Ветошь для мытья окон специально разработана для робота и обеспечит наилучший результат очистки поверхностей, при этом ее можно легко снять для стирки и последующего использования.
Роботизированный мойщик окон используется с оконным стеклом различной толщины. Управление работой осуществляется с применением искусственного интеллекта, а также при помощи стандартного дистанционного пульта. Скорость обработки поверхности составляет один квадратный метр за две минуты. Х6 способен отмыть любую гладкую поверхность: зеркала, мрамор, дерево и плитку.
Работа по мойке окон в высотных зданиях при помощи робота Х6, осуществляется с использованием страховочного троса, способного выдержать нагрузку до 150 кг. В случае внезапного отключения энергии робот подключит источник бесперебойного питания. Три режима автоматической очистки окон позволят оптимизировать процесс. Два типа встроенных датчиков, один из которых лазерный, позволят в авто режиме определять края окон и контролировать состояние вакуума в режиме реального времени.
Забавный робот BB-8 от Sphero скоро перевоплотится в грозного полицейского
Компания Sphero, занимающаяся созданием игрушек-роботов типа BB-8, объявила о планах расширения деятельности. Компания намерена с помощью ИИ перепрофилировать своих роботов в помощников для экстренных служб, правительства, военных и «тех, кто работает в опасных ситуациях». И хотя слов, что Sphero будет собирать роботов для полиции, не прозвучало, похоже, компания намерена двигаться именно в этом направлении.
За последние годы Sphero уже выпустила на рынок четыре миллиона роботов, в том числе миниатюрные программируемые роботы-танки, которые получили хорошие отзывы за свою мобильность. Хотя до сих пор они использовались для создания музыки, а не для обеспечения безопасности граждан.
Не удивительно, что Sphero видит перспективу в военном направлении и в области экстренного реагирования. Запрос на милитари-роботизацию, несомненно, есть: США активно тестирует робота Spot от Boston Dynamics для регулирования общественного порядка, а британские военные используют роботов для обезвреживания бомб. Кроме того, в Sphero признались, что делать игрушки не так уж выгодно. В 2018 году компании пришлось сократить значительное количество рабочих мест после неудачного сезона продаж и прекратить выпуск лицензионных ботов Disney – BB-8 и R2-D2.
