A 3D-s nyomtatóra nyomtatott elemekből és a mesterségesen termesztett vázizmokból létrehozott biomechanizmus • Yuliya Kondratenko • Tudományos hírek az "elemekről" • Biomechanika

A gyalogló biomechanizmus, amely a 3D nyomtatóra nyomtatott elemekből és mesterségesen megtermelt csontvázizmokból jött létre.

Ábra. 1. A járószerkezet kialakítása hasonlít a végtag két részéhez, amelyet egy csukló csatlakozik. A "csontok" és az "inak" szerepét egy 3D nyomtatóra nyomtatott részen végezték, az izmokat laboratóriumi körülmények között az egér myoblastokból termesztették. Ábra további anyagokról a tárgyalt cikkre

Az amerikai kutatók egy egyszerű gyalogosmechanizmust terveztek, amely a végtag két részének eszközét reprodukálja. Az izomösszehúzódásokat két "láb" biztosítja, amelyek végeiken egy rugalmas lemezhez vannak rögzítve. Ez az egyszerű eszköz elektromos impulzusok hatására mozog, amelyek bizonyos gyakorisággal táplálódnak a tápközegbe, amelyben található.

A robotokat olyan összetett fémszerkezetekre gondoltam, amelyek szigorúan ellenőrzött és kiszámítható viselkedéssel rendelkeznek. Az ilyen gépek hagyományos gyártási módszerekkel történő létrehozása, valamint az anyaggal való munkavégzés módszerei és megközelítései kölcsönözhetők az autóiparból és az elektronikából. Azonban a fém robotok nem képesek megbirkózni számos kényes feladattal (vicces példa erre a tojáscsomagolás automatizálásának megoldatlan problémája).Az egyedi feladatok elvégzésének nehézségein kívül a fémrobotok több globális problémával járnak, amelyek megakadályozzák széleskörű elfogadásukat. Különösen a merev test teszi a robusztus felépítést a robot tartós és megbízható, de nem biztonságos az élőlények köré. A fémrobotok megjelenése a lakásokban és az irodákban egy komplex mozgásrendszert követelhet, hasonlóan az autópályák rendszeréhez, és akár a megfelelő közlekedési szabályok bevezetéséhez is. Egy másik alapvető probléma az ilyen robotokkal az a nehézség, hogy számos szabadságfokot hozzanak létre. A fémrobotok mozgása még mindig meglehetősen primitív, így a robotok "testének" fejlődése még mindig jelentősen elmarad az "agyuk" fejlettségi szintjétől, amit a programozók már képesek tanítani arra, hogy gondolkodjanak rugalmasan.

Ezzel szemben a robotika fejlődésének új szakasza – a puha robotok létrehozása rugalmas házakkal, amelyekben nincsenek merev csuklós szerkezetek – nagyon ígéretesnek tűnik. Az ilyen robotok sok tervezője inspirál a természetből. Így az olasz kutatók mágneses analógokat készítettek a polipok csápjairól,és az amerikai tudósok a közelmúltban egy puha robot halat építettek, melynek során a szén-dioxid különböző részeit a test üregébe táplálták.

Még érdekesebb a puha robotok létrehozása: a biotechnológia mesterségesen termesztett szövetekkel. Ily módon egy szilícium alapú szívizmokból létrehozott mesterséges kagyló már beszerezhető. Azonban, mivel spontán módon kötődik meg, a szívizmok nem a legjobb anyagok az ellenőrzött viselkedési robotok létrehozásához. Talán ígéretesnek tűnik, hogy a vázizmokat a természet által önkéntes mozgások végzik, beleértve a tudatosan ellenőrzötteket is.

Az egyes egyetemek amerikai kutatói a biomechanizmus legegyszerűbb konstrukcióját választották, amely valójában két végtag részének összekapcsolódását eredményezte (1. Az izmok összehúzódásai, amelyek a végeiken két "lábon" keresztül vannak a hajlékonylemezhez, hajlítsa meg. Ha a "lábak" különböző hosszúságúak, majd az izmok lazulása után a tervezés egy lépést tesz egy rövidebb "lábak felé".A kötéseknek megfelelő lábak és az őket összekötő lemezek, amelyek a csontcsontoknak felelnek meg, egyetlen 3D-s hidrogél nyomtatóra nyomtatott darabot cseréltek, és a csontoknak megfelelő részt kevésbé rugalmasabbá tették, és az inaknak megfelelő részek rugalmasabbak voltak. rugalmasság.

Ezután a mechanizmus lábai között az egér myoblastok szuszpenzióját alkalmaztuk egy gélben, amely a természetes extracelluláris mátrix komponenseit tartalmazza: laminin, entaktin, kollagén, fibrinogén és trombin. A mesterséges izmok normál működéséhez szükséges lehet az inzulinszerű növekedési faktor-1 (IGF-1) és a proteázgátlók, a sejtek által szelektált enzimek is, amelyek megzavarhatják a körülöttük lévő mesterséges mátrix szerkezetét. Egy ilyen mátrixban a sejtek sokszorozódhatnak, és a kapott izom szerkezete elég rugalmas ahhoz, hogy csökkentse. A szuszpenzióban a sejtek és a mátrix komponenseinek koncentrációjának megváltoztatásával lehetséges befolyásolni az izom tulajdonságait, és az IGF-1 mennyiségének változása a táptalajban befolyásolja az érlelés sebességét. Fontos, hogy ilyen egyszerű rendszerben a vérerek hiányában csak elegendően vékony izom érhető el, különben nehézkes lesz az oxigén elérése a központi részecskékhez (2.

Ábra. 2. Növekvő izom a biomechanizmus számára. Hosszméretű vonalak 1 mm. Ábra a tárgyalt cikkből

Ez az egyszerű eszköz elektromos impulzusok hatására mozog, amelyek bizonyos gyakorisággal táplálódnak a tápközegbe, amelyben található. A vázizomsejtek, például optogenetikus, az izomösszehúzódások más hullámhosszúságú módszerekkel is alkalmazhatók (lásd Mahmut Sakar és munkatársai, 2012. A módosított 3D vázizom-izotópok képződését és optogenetikai kontrollját). Ehhez az izmokat myoblastokból kell termeszteni, amelyekbe a rodopszin-2 kationos csatorna génjét vezettük be, ami kationokat indít a sejtbe kék fény hatására. Amikor a kalciumkationok belépnek a sejtbe, az izom megköti.

A külső jelek által vezérelt biorobotok ígéretes célpontok a jövőbeli fejlesztések számára. Ebben az esetben érdekes a modell egyszerűsége; azonban a modell bonyolult lehet: például más típusú cellák hozzáadásával. Jó lenne elérni az erek növekedését, hogy növelje az izmok vastagságát, valamint a beidegzést, ami hihetetlenül érdekes kilátásokkal szolgálna ahhoz, hogy a bio-robotok reagáljanak a külső ingerekre.A mesterséges szövetek beidegzésével még mindig nehéz helyzet áll fenn, de a mesterséges szervekben lévő hajók növekedése sikert aratott (lásd: A laboratóriumban termesztett májcsíra az egér működő szervévé vált, Elements, augusztus 28, 2013).

Ábra. 3. "Centipedes" több gyalogos modul kombinációja alapján. Hosszméretű vonalak 2 mm. Ábra további anyagokról a tárgyalt cikkre

A szórakoztató, többlábú biomechanizmusok összeállíthatók olyan egyszerű modulokból is, amelyek vázlatairól a szerzők a cikkhez kapcsolódnak (3. A 3D-s nyomtatás már széles körben elterjedt, és lehet, hogy minden olyan öngondoskodó iskola megjelenik, amikor a bioengineering körökben szórakoztatják magukat.

Forrás: C. Cvetkovic et al. Vázizmok PNAS. 2014. DOI: 10,1073 / pnas.1401577111.

Julija Kondratenko


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

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