- 29,950
- 46
- 8 Ноя 2022
Алгоритм одновременно выращивает мышцу и проектирует скелет.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1200/671;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">Исследователи создали биогибридный привод, в котором живую скелетную мышцу и мягкий гидрогелевый каркас проектируют как единую механическую систему. Такой подход увеличил диапазон движения до 11 раз по сравнению с прежними конструкциями сопоставимого объёма мышцы, а собранные на основе привода роботы смогли прыгать, плавать, ходить и захватывать небольшие предметы.
Главное отличие новой конструкции связано не с попыткой сделать саму мышечную ткань сильнее. Авторы сосредоточились на том, как форма, толщина и жёсткость живого слоя сочетаются с каркасом, на котором растёт мышца. Даже достаточно сильная ткань мало помогает роботу, если часть сокращения теряется в месте соединения с искусственной конструкцией или каркас изгибается не в нужном направлении.
Сначала исследователи построили компьютерную модель мышцы и каркаса как единого мягкого тела. Эволюционный алгоритм перебирал варианты геометрии и отбирал конструкции с наибольшей деформацией, после чего авторы дополнительно меняли соотношение жёсткости и размеров двух слоёв. Расчёты показали, что максимальный изгиб возникает, когда активная мышца занимает примерно 40–50% общей толщины привода.
Для каркаса размером 15 × 3,5 × 1 мм оптимальная толщина мышечного слоя составила около 0,5 мм. В готовых образцах толщина живой ткани находилась примерно в диапазоне 0,3–0,5 мм. Каркас изготовили из мягкого гидрогеля и покрыли микроскопическими канавками, которые направляли рост мышечных волокон и помогали передавать сокращение вдоль заданной оси.
Живой слой выращивали из клеток скелетной мышцы C2C12 непосредственно на гидрогелевой основе. Особое внимание авторы уделили границе между материалами: мышца должна была оставаться прочно связанной с каркасом при многократных сокращениях. Для увеличения площади контакта поверхность сформировали с взаимно сцепляющимся микрорельефом, а химическое сшивание двух гидрогелевых слоёв создавало непрерывное соединение.
После созревания мышечные волокна выстраивались вдоль микроканавок и сокращались при электрической стимуляции. На частоте от одного до трёх герц привод циклически изгибался с амплитудой до 6,6 мм . Авторы указывают, что предыдущие конструкции с сопоставимым объёмом мышцы обычно обеспечивали перемещение порядка нескольких сотен микрометров.
Одну и ту же схему удалось приспособить к нескольким типам движения. Мышечный привод заставлял небольшую конструкцию подпрыгивать, двигал плавающего робота к границе воды и воздуха, обеспечивал шаги по поверхности и приводил в действие захват. Каркасы с микроканавками, ориентированными в разных направлениях, позволили получать сокращения по нескольким осям, а несколько приводов можно объединять в более сложные системы.
Пока речь идёт о лабораторных демонстраторах, а не об автономных машинах. Сокращения запускает внешнее электрическое поле, живой ткани необходимы подходящие условия и питание, а увеличение размеров биогибридных конструкций по-прежнему осложняет снабжение клеток кислородом и питательными веществами. Новая работа прежде всего решает другую задачу: показывает, как получить значительно больше полезного движения из уже доступного объёма мышечной ткани.
В биогибридной робототехнике применяют и другие способы повысить механическую отдачу. В одних экспериментах между живой мышцей и каркасом добавляли искусственные сухожилия , чтобы эффективнее передавать усилие, в других исследователи усиливали мышцы ещё на стадии выращивания. Новый подход переносит часть работы на этап проектирования: алгоритм подбирает мышцу и каркас одновременно, а затем рассчитанную конструкцию воспроизводят из живой ткани и гидрогеля.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1200/671;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">Исследователи создали биогибридный привод, в котором живую скелетную мышцу и мягкий гидрогелевый каркас проектируют как единую механическую систему. Такой подход увеличил диапазон движения до 11 раз по сравнению с прежними конструкциями сопоставимого объёма мышцы, а собранные на основе привода роботы смогли прыгать, плавать, ходить и захватывать небольшие предметы.
Главное отличие новой конструкции связано не с попыткой сделать саму мышечную ткань сильнее. Авторы сосредоточились на том, как форма, толщина и жёсткость живого слоя сочетаются с каркасом, на котором растёт мышца. Даже достаточно сильная ткань мало помогает роботу, если часть сокращения теряется в месте соединения с искусственной конструкцией или каркас изгибается не в нужном направлении.
Сначала исследователи построили компьютерную модель мышцы и каркаса как единого мягкого тела. Эволюционный алгоритм перебирал варианты геометрии и отбирал конструкции с наибольшей деформацией, после чего авторы дополнительно меняли соотношение жёсткости и размеров двух слоёв. Расчёты показали, что максимальный изгиб возникает, когда активная мышца занимает примерно 40–50% общей толщины привода.
Для каркаса размером 15 × 3,5 × 1 мм оптимальная толщина мышечного слоя составила около 0,5 мм. В готовых образцах толщина живой ткани находилась примерно в диапазоне 0,3–0,5 мм. Каркас изготовили из мягкого гидрогеля и покрыли микроскопическими канавками, которые направляли рост мышечных волокон и помогали передавать сокращение вдоль заданной оси.
Живой слой выращивали из клеток скелетной мышцы C2C12 непосредственно на гидрогелевой основе. Особое внимание авторы уделили границе между материалами: мышца должна была оставаться прочно связанной с каркасом при многократных сокращениях. Для увеличения площади контакта поверхность сформировали с взаимно сцепляющимся микрорельефом, а химическое сшивание двух гидрогелевых слоёв создавало непрерывное соединение.
После созревания мышечные волокна выстраивались вдоль микроканавок и сокращались при электрической стимуляции. На частоте от одного до трёх герц привод циклически изгибался с амплитудой до 6,6 мм . Авторы указывают, что предыдущие конструкции с сопоставимым объёмом мышцы обычно обеспечивали перемещение порядка нескольких сотен микрометров.
Одну и ту же схему удалось приспособить к нескольким типам движения. Мышечный привод заставлял небольшую конструкцию подпрыгивать, двигал плавающего робота к границе воды и воздуха, обеспечивал шаги по поверхности и приводил в действие захват. Каркасы с микроканавками, ориентированными в разных направлениях, позволили получать сокращения по нескольким осям, а несколько приводов можно объединять в более сложные системы.
Пока речь идёт о лабораторных демонстраторах, а не об автономных машинах. Сокращения запускает внешнее электрическое поле, живой ткани необходимы подходящие условия и питание, а увеличение размеров биогибридных конструкций по-прежнему осложняет снабжение клеток кислородом и питательными веществами. Новая работа прежде всего решает другую задачу: показывает, как получить значительно больше полезного движения из уже доступного объёма мышечной ткани.
В биогибридной робототехнике применяют и другие способы повысить механическую отдачу. В одних экспериментах между живой мышцей и каркасом добавляли искусственные сухожилия , чтобы эффективнее передавать усилие, в других исследователи усиливали мышцы ещё на стадии выращивания. Новый подход переносит часть работы на этап проектирования: алгоритм подбирает мышцу и каркас одновременно, а затем рассчитанную конструкцию воспроизводят из живой ткани и гидрогеля.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
