الملخص:
قام فريق بحث من معهد شنيانغ للأتمتة التابع للأكاديمية الصينية للعلوم مؤخرا بتطوير "سمك شيطان البحر الآلي" المصغر اللاسلكي الذي يتم التحكم فيه بالضوء، والذي تحرك زعانفه الدافعة عضلات هيكلية حقيقية مأخوذة من أرجل الضفادع الأمريكية. يستخدم هذا البحث الأنسجة البيولوجية مباشرة كمشغل، وهو استكشاف متطور في مجال الروبوتات الحيوية. تم نشر النتائج ذات الصلة في "المواد الوظيفية المتقدمة".
استخرج فريق البحث العضلة الناحلة من ساق ضفدع عادي لاستخدامها كمحرك. في ظل ظروف التحفيز الكهربائي الأمثل (1 هرتز، 5 فولت، 10 مللي ثانية لكل نبضة)، يمكن للعضلة أن تنتج قوة انكماش مستقرة تبلغ حوالي 6.5 نيوتن مع سعة انكماش تبلغ حوالي 25%؛ وفي ظل تحفيز أقوى، يمكن أن تصل قوى الذروة إلى 9.4 نيوتن. وظل النسيج مستجيبًا كهربائيًا لمدة 11 يومًا وكان قادرًا على قيادة الروبوت بشكل موثوق لمدة سبعة أيام تقريبًا.
بخلاف البروتوكولات السابقة التي استخدمت الثقافة المختبرية أو إعادة بناء الأنسجة العضلية، استخدمت هذه الدراسة بشكل مباشر العضلات الهيكلية السليمة المعزولة بشكل طبيعي. وأشار الباحثون إلى أن ألياف العضلات الطبيعية لديها بنية ترتيب عالية الترتيب، وبالتالي فإن أداء الانكماش أفضل بكثير من أداء حزم العضلات المعاد بناؤها بواسطة زراعة الخلايا. ومع ذلك، فإن قوة الإنتاج غير الكافية كانت دائمًا بمثابة عنق الزجاجة الرئيسي الذي يحد من سرعة وحركة الروبوتات الهيكلية الحالية التي تحركها العضلات.
من أجل التخلص من قيود أنظمة التحفيز الكهربائي السلكية التقليدية، قام الفريق بدمج وحدات كهروضوئية من زرنيخيد الغاليوم الصغير (GaAs) على الجزء الخلفي من أشعة مانتا الروبوتية وقاموا بتشعيعها باستخدام ليزر قريب من الأشعة تحت الحمراء بطول 808 نانومتر. تقوم الوحدة الكهروضوئية بتحويل الإشارات الضوئية إلى إشارات كهربائية وتنقلها إلى الأعصاب الموجودة على سطح العضلات لتحفيز الانقباضات؛ يمكن معالجة المناطق الكهروضوئية على الجانبين الأيسر والأيمن بشكل مستقل، ويتم تحقيق الانكماش المتباين للعضلات على كلا الجانبين من خلال التحكم في توقيت الضوء وموضعه، وبالتالي استكمال عناصر التحكم بدون كابلات مثل التوجيه والدوران والدائري والدوران على شكل حرف U.
فيما يتعلق بأداء الحركة، يبلغ متوسط سرعة الخط المستقيم لروبوت مانتا راي 0.54 طول جسم في الثانية (حوالي 2.7 سم/ثانية)، ويمكن أن يصل إلى طول جسمين في الثانية في فترة زمنية قصيرة. وقال فريق البحث إن هذه هي أعلى سرعة أمامية نسبية لروبوت هجين حيوي يحركه العضلات الهيكلية تم الإبلاغ عنها حتى الآن. يبلغ الحد الأدنى لنصف قطر دورانه ثُمن طول جسمه، وتصل سرعته الزاوية القصوى إلى 21 درجة في الثانية، ويستغرق حوالي 17 ثانية لإكمال دائرة كاملة. بالإضافة إلى التجول على السطح والسباحة تحت الماء بحمولة (تصل إلى 5 جرام)، يستطيع الروبوت أيضًا التحرك في منحنيات بطيئة على الأسطح الصلبة.
ذكر الباحثون أن هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها ربط العضلات الهيكلية الطبيعية المعزولة بنظام تحفيز العصب الكهروضوئي اللاسلكي، مما يؤكد جدوى الأنسجة العضلية الطبيعية كمحرك بيولوجي عالي الأداء. لا يقتصر هذا المسار التقني على تكوين أشعة مانتا: من المتوقع أن تتكيف مشغلات العضلات الطبيعية مع هياكل الروبوتات الأخرى، ويوفر نظام التحكم اللاسلكي "البصري-الكهربائي" طريقة للتحكم في المحركات البيولوجية دون الحاجة إلى أسلاك خارجية دائمة.
على مستوى التطبيق، يعتقد الفريق أن هذا النوع من الروبوتات الصغيرة ذات الدفع الزعانفي مناسب لمراقبة بيئة المياه الضحلة ومراقبة الحياة المائية منخفضة الاضطراب، ويمكنه تجنب التداخل الناجم عن مراوح الروبوت التقليدية تحت الماء والآليات الصلبة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لإطار التحفيز الكهربائي الذي تم تطويره للحفاظ على التقلص الفعال للعضلات المعزولة أن يوفر أيضًا مرجعًا تجريبيًا لأبحاث إعادة تأهيل العضلات في المختبر وأنظمة زراعة هندسة الأنسجة الديناميكية بعد إصابة العصب.
إن القيد الرئيسي الحالي هو عمر الأنسجة البيولوجية والاعتماد على الطاقة الخارجية: يمكن للعضلات المدمجة أن تعمل بشكل موثوق لمدة 7 أيام تقريبًا ويمكن أن تستمر الاستجابة الكهربائية لمدة تصل إلى 11 يومًا؛ لا يزال التحفيز اللاسلكي يتطلب مصدر طاقة مستمرًا وتحكمًا بواسطة مصدر ضوء خارجي قريب من الأشعة تحت الحمراء. في الخطوة التالية، يخطط الفريق لتحسين استراتيجيات الزراعة المختبرية لإطالة عمر العضلات، وتطوير أقطاب كهربائية مرنة تشبه الخلايا العصبية لتحقيق توزيع أكثر اتساقًا للإشارات الكهربائية، ومحاولة الجمع بين الأنظمة الكهروضوئية وتخزين الطاقة على متن الطائرة حتى يتمكن الروبوت من تخزين الطاقة الضوئية المجمعة واستدعائها عند الحاجة، بدلاً من الاعتماد كليًا على الإضاءة في الوقت الفعلي.
التعليقات