Berjalan biomekanisme dicipta daripada unsur-unsur yang dicetak pada pencetak 3D dan otot-otot rangka yang dihasilkan secara artifisial • Yuliya Kondratenko • Berita sains mengenai "Unsur-unsur" • Biomekanik

Berjalan biomekanisme dicipta daripada unsur-unsur yang dicetak pada pencetak 3D dan otot-otot rangka yang dihasilkan secara buatan.

Rajah. 1. Reka bentuk mekanisme berjalan menyerupai dua bahagian badan yang disambung oleh sendi. Peranan "tulang" dan "tendon" dilakukan oleh sebahagian yang dicetak pada pencetak 3D, otot-otot tumbuh di bawah keadaan makmal dari myoblast tetikus. Gambar dari bahan tambahan ke artikel yang dibincangkan

Penyelidik Amerika telah merancang mekanisme berjalan mudah yang menghasilkan semula dua bahagian anggota yang disambung oleh sendi. Kontraksi otot disediakan oleh dua "kaki" yang dilampirkan pada ujungnya ke plat yang fleksibel. Peranti mudah ini bergerak di bawah tindakan impuls elektrik, yang dengan frekuensi tertentu dimasukkan ke dalam medium nutrien di mana ia terletak.

Kami biasa memikirkan robot sebagai struktur logam kompleks dengan tingkah laku ketat dan boleh diramalkan. Untuk membuat mesin seperti menggunakan kaedah pengeluaran tradisional, dan teknik dan pendekatan untuk bekerja dengan bahan boleh dipinjam dari industri automotif dan elektronik. Walau bagaimanapun, robot logam tidak dapat mengatasi sejumlah tugas yang halus (contoh yang lucu adalah masalah yang tidak dapat diselesaikan dengan automasi pembungkusan telur).Selain kesukaran dalam melakukan tugas individu, robot logam mempunyai masalah global yang lebih besar yang menghalang pengambilannya yang meluas. Khususnya, badan yang tegar membuat reka bentuk robot yang tahan lasak dan boleh dipercayai, tetapi tidak selamat untuk makhluk hidup di sekitarnya. Kemunculan robot logam di pangsapuri dan pejabat mungkin memerlukan penciptaan sistem pergerakan yang kompleks, sama seperti sistem lebuh raya, dan juga pengenalan peraturan lalu lintas yang sesuai. Satu lagi masalah asas dengan robot itu adalah kesukaran untuk mewujudkan sebilangan besar darjah kebebasan. Pergerakan robot logam masih agak primitif, jadi perkembangan "badan" robot masih jauh ketinggalan tahap perkembangan "otak" mereka, yang programmer sudah dapat mengajar untuk berfikir cukup fleksibel.

Terhadap latar belakang ini, sebuah cabang pembangunan robotik yang baru – penciptaan robot lembut dengan perumahan yang fleksibel yang tidak mempunyai struktur yang tegar di dalamnya – kelihatan sangat menjanjikan. Ramai pereka robot itu mendapat inspirasi dari alam semula jadi. Oleh itu, penyelidik Itali mencipta analog tiruan dari tentakel gurita,dan saintis Amerika baru-baru ini membina ikan robot lembut, bergerak dengan memberi makan bahagian-bahagian yang berlainan karbon dioksida ke dalam rongga tubuhnya.

Pendekatan yang lebih menarik untuk membuat robot lembut sedang berkembang: bioengineering menggunakan tisu yang dihasilkan secara buatan. Dengan cara ini, obor obor tiruan, yang dihasilkan daripada otot jantung berasaskan silikon, telahpun diperolehi. Bagaimanapun, disebabkan keupayaannya secara kontrak secara spontan, otot jantung bukanlah bahan terbaik untuk mewujudkan robot tingkah laku terkawal. Nampaknya lebih menjanjikan menggunakan otot-otot rangka, yang direka bentuk untuk melakukan gerakan sukarela, termasuk yang dikawal secara sedar.

Penyelidik Amerika dari beberapa universiti telah memilih pembinaan yang paling mudah untuk biomekanisme mereka, sebenarnya menghasilkan semula dua bahagian anggota badan yang disambungkan oleh sendi (Rajah 1). Kontraksi otot, dilampirkan pada hujungnya melalui dua "kaki" ke plat fleksibel, bengkokkannya. Jika "kaki" mempunyai panjang yang berlainan, maka selepas otot santai, reka bentuk membuat langkah ke arah "kaki" yang lebih pendek.Kaki, sepadan dengan tendon sendi, dan plat menyambungkannya, sepadan dengan tulang di sendi, menggantikan sekeping tunggal yang dicetak pada pencetak hidrogel 3D, dan bahagian sepadan dengan tulang dibuat kurang fleksibel fleksibel.

Kemudian, di antara kaki mekanisme, penggantungan myoblast tetikus diterapkan dalam gel yang mengandungi komponen matriks ekstrasel semulajadi: laminin, entaktin, kolagen, fibrinogen dan thrombin. Untuk berfungsi dengan normal otot buatan, faktor pertumbuhan insulin seperti 1-factor (IGF-1) dan inhibitor protease, enzim yang dirembeskan oleh sel-sel, juga diperlukan, yang boleh mengganggu struktur matriks buatan di sekelilingnya. Dalam matriks seperti itu, sel boleh membiak, dan struktur otot yang dihasilkan cukup fleksibel untuk mengurangkannya. Dengan mengubah kepekatan sel dan komponen matriks dalam penggantungan, adalah mungkin untuk mempengaruhi sifat-sifat otot, dan perubahan dalam jumlah IGF-1 dalam medium mempengaruhi kadar pematangannya. Adalah penting bahawa jika tiada saluran darah dalam sistem mudah seperti hanya otot yang nipis yang cukup dapat diperoleh, sebaliknya akses oksigen ke sel-sel di bahagian tengahnya akan sukar (Rajah 2).

Rajah. 2 Meningkatkan otot tiruan untuk biomekanisme. Garisan skala panjang 1 mm. Gambar dari artikel yang dibincangkan

Peranti mudah ini bergerak di bawah tindakan impuls elektrik, yang dengan frekuensi tertentu dimasukkan ke dalam medium nutrien di mana ia terletak. Kaedah lain kawalan boleh digunakan pada alat-alat otot rangka, seperti optogenetik, apabila kontraksi otot dipicu oleh pendedahan kepada cahaya dari gelombang panjang tertentu (lihat Mahmut Sakar et al., 2012. Penentukuran dan Kawalan Optogenetik daripada Bioactuators Otot rangka Skeletal 3D). Untuk melakukan ini, otot perlu ditanam dari myoblast, di mana gen saluran kationik rhodopsin-2 diperkenalkan, yang mencetuskan kation ke dalam sel apabila terdedah kepada cahaya biru. Apabila kation kalsium memasuki sel, kontrak otot.

Biorobot yang dikawal oleh isyarat luaran adalah sasaran yang menjanjikan untuk perkembangan masa depan. Dalam kes ini, kepentingan adalah kesederhanaan model; Walau bagaimanapun, model boleh menjadi rumit: contohnya, dengan menambahkan jenis sel lain. Adalah baik untuk mencapai pertumbuhan saluran darah supaya anda dapat meningkatkan ketebalan otot, serta pemuliharaan, yang akan memberikan prospek yang sangat menarik untuk mendapatkan bio-robot yang bertindak balas terhadap rangsangan luar.Masih ada keadaan yang sukar dengan pemuliharaan tisu tiruan, tetapi dengan pertumbuhan saluran organ-organ buatan terdapat beberapa kejayaan (lihat Kuman hati yang ditanam di makmal telah berubah menjadi organ berfungsi dalam tetikus, Elemen, 28 Ogos 2013).

Rajah. 3 "Centipedes" berdasarkan gabungan beberapa modul berjalan. Garisan skala panjang 2 mm. Gambar dari bahan tambahan ke artikel yang dibincangkan

Ia juga mungkin untuk memasang biomekanisme berbilang legit yang lucu daripada modul mudah, lakaran yang dilampirkan oleh penulis ke artikel mereka (Gambarajah 3). Percetakan 3D sudah tersebar luas, dan mungkin hari-hari ketika menghiburkan bulatan bioengineering akan muncul di setiap sekolah yang menghormati diri.

Sumber: C. Cvetkovic et al. Otot rangka PNAS. 2014. DOI: 10.1073 / pnas.1401577111.

Yulia Kondratenko


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: