要約:
中国科学院瀋陽オートメーション研究所の研究チームは最近、無線で光制御される小型の「ロボットマンタ」を開発した。その推進フィンはウシガエルの足から採取した本物の骨格筋によって駆動される。この研究は、生体組織をアクチュエータとして直接使用するもので、生体混合ロボットの分野における最先端の研究です。関連する成果は「先端機能材料」に掲載されています。
研究チームは、アクチュエーターとして一般的なウシガエルの脚から薄筋を抽出しました。最適化された電気刺激条件 (1 Hz、5 V、10 ms/パルス) の下では、筋肉は約 25% の収縮振幅で約 6.5 N の安定した収縮力を生成できます。より強い刺激下では、ピーク力は 9.4 N に達することがあります。組織は 11 日間電気反応を維持し、約 7 日間ロボットを確実に駆動することができました。
実験室培養または再構築された筋肉組織を使用した以前のプロトコルとは異なり、この研究では、自然に分離された無傷の骨格筋を直接使用しました。研究者らは、天然の筋線維は高度に秩序だった配置構造を持っているため、細胞培養で再構築された筋束よりも収縮性能が大幅に優れていると指摘した。しかし、出力力が不十分であることが常に、既存の骨格筋駆動ロボットの速度と可動性を制限する主要なボトルネックとなってきました。
従来の有線電気刺激システムの制約を取り除くために、チームはロボットマンタの背面にマイクロガリウムヒ素 (GaAs) 太陽光発電モジュールを統合し、808 ナノメートルの近赤外線レーザーを照射しました。光起電ユニットは光信号を電気信号に変換し、筋肉表面の神経に伝達して収縮を引き起こします。左右の太陽光発電エリアは独立して対応でき、光のタイミングと位置を制御することで両側の筋肉の収縮を差別化することで、前進、旋回、円旋回、U字旋回などのケーブルレス制御を実現します。
運動性能の観点から見ると、ロボット マンタの平均直線速度は 1 秒あたり 0.54 体長 (約 2.7 cm/s) であり、短時間で 1 秒あたり最大 2 体長に達する可能性があります。研究チームによると、これはこれまで報告されている骨格筋駆動のバイオハイブリッドロボットの中で最高の相対前進速度であるという。最小回転半径は体長のわずか 8 分の 1 で、最大角速度は毎秒 21 度に達し、一周するのに約 17 秒かかります。このロボットは、水面を巡航したり、荷重 (最大 5 グラム) を積んで水中を泳いだりするだけでなく、硬い表面上をゆっくりとしたカーブで移動することもできます。
研究者らは、天然の隔離された骨格筋が無線光電神経刺激システムと結合されたのはこれが初めてであり、高性能の生物学的アクチュエーターとしての天然の筋肉組織の実現可能性が検証されたと述べた。この技術的ルートはマンタの構成に限定されません。天然の筋肉アクチュエータは他のロボット構造にも適応すると期待されており、「光電気」無線制御スキームは、恒久的な外部ワイヤを必要とせずに生物学的アクチュエータを制御する方法を提供します。
応用レベルでは、チームは、このタイプの小型フィン推進ロボットが浅水環境の監視や水生生物の低妨害観察に適しており、従来の水中ロボットのプロペラや剛性の高い機構によって引き起こされる干渉を回避できると考えています。さらに、孤立した筋肉の効果的な収縮を維持するために開発された電気刺激フレームワークは、神経損傷後の in vitro 筋肉リハビリテーション研究や動的組織工学培養システムの実験参考にもなります。
現在の主な制限は、生体組織の寿命と外部エネルギーへの依存です。統合された筋肉は約 7 日間確実に機能し、電気反応は最大 11 日間持続します。ワイヤレス刺激でも、継続的な電力供給と外部近赤外線光源による制御が必要です。次のステップでは、チームは、筋肉の寿命を延ばすために体外培養戦略を最適化し、より均一な電気信号分布を達成するために神経のような柔軟なフィルム電極を開発し、リアルタイム照明に完全に依存するのではなく、ロボットが収集した光エネルギーを保存して必要なときに呼び出すことができるように、太陽光発電システムと車載エネルギー貯蔵装置を組み合わせることを計画している。
コメント