Riassunto:
Un gruppo di ricerca dell'Istituto di automazione di Shenyang, Accademia cinese delle scienze, ha recentemente sviluppato una "manta robotica" in miniatura, senza fili e controllata dalla luce, le cui pinne di propulsione sono azionate da veri muscoli scheletrici prelevati dalle zampe delle rane toro. Questa ricerca utilizza il tessuto biologico direttamente come attuatore, un'esplorazione all'avanguardia nel campo dei robot biosincretici. I risultati rilevanti sono stati pubblicati in "Advanced Functional Materials".
Il gruppo di ricerca ha estratto il muscolo gracile dalla zampa di una comune rana toro come attuatore. In condizioni ottimizzate di stimolazione elettrica (1 Hz, 5 V, 10 ms per impulso), il muscolo può produrre una forza di contrazione stabile di circa 6,5 N con un'ampiezza di contrazione di circa il 25%; sotto stimolazione più forte, le forze di picco possono raggiungere 9,4 N. Il tessuto è rimasto elettricamente reattivo per 11 giorni ed è stato in grado di guidare in modo affidabile il robot per circa sette giorni.
Diversamente dai protocolli precedenti che utilizzavano colture di laboratorio o tessuto muscolare ricostruito, questo studio ha utilizzato direttamente muscolo scheletrico intatto isolato naturalmente. I ricercatori hanno sottolineato che le fibre muscolari naturali hanno una struttura di disposizione altamente ordinata, quindi la prestazione di contrazione è significativamente migliore di quella dei fasci muscolari ricostruiti con colture cellulari. Tuttavia, una forza di uscita insufficiente è sempre stata un collo di bottiglia chiave che limita la velocità e la mobilità dei robot esistenti azionati dai muscoli scheletrici.
Per eliminare i vincoli dei tradizionali sistemi di stimolazione elettrica cablata, il team ha integrato moduli fotovoltaici di micro-arseniuro di gallio (GaAs) sul retro della manta robotica e l'ha irradiata con un laser nel vicino infrarosso da 808 nanometri. L'unità fotovoltaica converte i segnali luminosi in segnali elettrici e li trasmette ai nervi presenti sulla superficie dei muscoli per innescare le contrazioni; le aree fotovoltaiche sui lati sinistro e destro possono essere indirizzate in modo indipendente, e la contrazione differenziata dei muscoli su entrambi i lati si ottiene controllando i tempi e la posizione della luce, completando così controlli senza cavi come avanzamento, svolta, giri circolari e ad U.
In termini di prestazioni di movimento, la velocità media in linea retta della manta robot è di 0,54 lunghezze corporee al secondo (circa 2,7 cm/s) e può raggiungere fino a 2 lunghezze corporee al secondo in un breve periodo di tempo. Il gruppo di ricerca ha affermato che questa è la più alta velocità di avanzamento relativa di un robot bioibrido azionato dai muscoli scheletrici riportata finora. Il suo raggio di sterzata minimo è solo un ottavo della sua lunghezza corporea, la sua velocità angolare massima raggiunge i 21 gradi al secondo e impiega circa 17 secondi per completare un giro completo. Oltre a navigare in superficie e nuotare sott'acqua con un carico (fino a 5 grammi), il robot può anche muoversi in curve lente su superfici rigide.
I ricercatori hanno affermato che questa è la prima volta che il muscolo scheletrico naturale isolato viene accoppiato con un sistema di stimolazione nervosa fotoelettrica wireless, verificando la fattibilità del tessuto muscolare naturale come attuatore biologico ad alte prestazioni. Questo percorso tecnico non si limita alla configurazione della manta: ci si aspetta che gli attuatori muscolari naturali si adattino ad altre strutture robotiche e lo schema di controllo wireless "ottico-elettrico" fornisce un modo per controllare gli attuatori biologici senza la necessità di cavi esterni permanenti.
A livello applicativo, il team ritiene che questo tipo di piccolo robot con propulsione pinnata sia adatto per il monitoraggio dell'ambiente in acque poco profonde e l'osservazione a basso disturbo della vita acquatica e possa evitare le interferenze causate dalle tradizionali eliche dei robot subacquei e dai meccanismi rigidi. Inoltre, la struttura di stimolazione elettrica sviluppata per mantenere una contrazione efficace dei muscoli isolati può anche fornire un riferimento sperimentale per la ricerca sulla riabilitazione muscolare in vitro e per i sistemi di coltura di ingegneria tissutale dinamica dopo una lesione nervosa.
L'attuale limitazione principale è la durata della vita del tessuto biologico e la dipendenza dall'energia esterna: i muscoli integrati possono funzionare in modo affidabile per circa 7 giorni e la risposta elettrica può durare fino a 11 giorni; la stimolazione wireless richiede ancora un'alimentazione continua e il controllo da parte di una sorgente luminosa esterna nel vicino infrarosso. Nella fase successiva, il team prevede di ottimizzare le strategie di coltura in vitro per estendere la durata della vita muscolare, sviluppare elettrodi a pellicola flessibile di tipo neurologico per ottenere una distribuzione del segnale elettrico più uniforme e provare a combinare i sistemi fotovoltaici con l’accumulo di energia a bordo in modo che il robot possa immagazzinare l’energia luminosa raccolta e richiamarla quando necessario, anziché fare affidamento interamente sull’illuminazione in tempo reale.
Commenti