Тема урока:"Биоробототехника."
Биоробототехника,также биомикроробототехника, биоминиробототехника — направление робототехники на стыке биологии и микросистемотехники.
Одна ее из целей — создание биороботов (биомикророботы, биоминироботы), представляющих собой живые организмы — насекомым или мелкие животные, в которые были встроены электронные устройства для управления их поведением и для приема и передачи информации. Управление живым существом осуществляется путем воздействия на его нервную систему. Биороботы могут оказаться незаменимыми в условиях опасности для жизни человека: химическая и радиационная разведка, работа со взрывными устройствами, ликвидация последствий аварий и катастроф; где присутствие человека затруднено: охрана, скрытное наблюдение, поиск людей под завалами. Использование живого организма как основы микроробота решает проблемы энергопитания, микродвигателей.
Биороботы: зачем ученые создают роботов из живых клеток
Фото: hightech.fm
Роботы, созданные из клеток животных, являются самым безопасным способом доставить лекарство в нужную точку тела.
Современная робототехника далека от образов из фантастических рассказов: одним из последних ее достижений были прыгающие роботы, которые в целом выглядят достаточно неуклюже. Однако, биоробототехника может впечатлить намного больше.
Ученые из университетов Вермонта и Тафтса создали из живых клеток ксеноботов — микроскопических роботов, названных так в честь своего прародителя, африканской когтистой лягушки Xenopus laevis.
Роботы не могут есть, размножаться и живут около недели. Зато они способны плавать, толкать или переносить предметы, а также работать в группах. Это первые роботы, состоящие полностью из живых клеток и способные решать сравнительно широкий спектр задач.
Для того, чтобы создать их, исследователи из Университета Вермонта разработали искусственный интеллект, способный моделировать совместную работу десятков тысяч различных комбинаций клеток кожи и сердца, если они будут существовать в реальном мире. Затем ученые из Университета Тафтса выбрали самое оптимальное сочетание и создали программируемый организм из стволовых клеток, взятых из эмбрионов лягушек.
Исследователи обрезали периферическую область эмбриона, которая обычно развивается в кожу или сердечную мышцу в процессе роста. Затем они вручную разделили ткани на отдельные клетки и поместили их в чашку Петри.
Получившийся организм движется благодаря сокращениям клеток сердечной мышцы — они ведут себя примерно так же, как клетки человеческого сердца. Клетки кожи, в свою очередь, создают каркас, который удерживает клетки сердца вместе.
У ксеноботов есть способности к самовосстановлению: когда ученые повредили клетки кожи одного из роботов, он смог без посторонней помощи восстановить их и ликвидировать рану.
После того, как все клетки соединились в единый организм, исследователи придали ему оптимальную для движения форму, смоделированную ИИ. Получившиеся роботы имеют микроскопический размер — их ширина составляет около миллиметра. Несмотря на это, создание ксенобота — большой шаг в создании программируемых живых организмов, то есть совершенно новых форм жизни.
Главный прорыв исследования заключается в придании смоделированной ИИ формы живому организму — то есть в переводе с языка компьютера на биологический язык, отмечают авторы работы. Ученые создали рецепт робота, который каждый раз выполняет одни и те же функции.
В более ранних исследованиях ученые использовали генную инженерию и различные виды генерации тканей, однако никому из них не удавалось создать устойчивую и воспроизводимую модель биоробота — существа каждый раз имели разную форму, а их функционал сильно отличался. Поэтому использование ИИ для производства роботов из живых клеток имеет большое значение — такие организмы можно воспроизводить бесконечное количество раз без серьезных отличий.
Зачем нужны роботы из живых клеток?
Это может прозвучать как научная фантастика, но люди меняли и меняют организмы на протяжении тысячелетий. Речь идет об одомашнивании диких животных или о селекции сельскохозяйственных культур: например, кукуруза в нынешнем виде сильно отличается от своих дикорастущих далеких предков. Конечный результат таких экспериментов практически невозможно ни предугадать, ни проконтролировать.
Если взглянуть на разработку с этой стороны, она не кажется слишком новаторской. При этом создание роботов из живых клеток — следующий шаг к изменениям организмов, к которым приводит деятельность человека.
Ксеноботы не похожи на традиционных роботов — у них нет блестящих механизмов или роботизированных рук. Они напоминают крошечные шарики движущейся розовой плоти. Исследователи говорят, что эта форма выбрана не случайно — такие программируемые «биологические машины» позволят сделать то, чего не могут обычные роботы из стали и пластика.
Традиционные роботы со временем деградируют — их детали и механизмы изнашиваются, а в случае с медицинскими роботами это может нанести вред здоровью человека. Роботы, созданные из живых клеток, напротив, являются безопасными для здоровья человека и исключают нанесение какого-либо вреда экологии, считают исследователи.
Ксеноботов можно использовать для очистки радиоактивных отходов, сбора микропластиков в океанах или переноса лекарств по сосудам внутри человеческого тела. Ксеноботы выживают в водных средах без дополнительных питательных веществ в течение нескольких дней или недель, что делает их пригодными для внутренней доставки лекарств.
Помимо этих непосредственно практических задач, ксеноботы могут также помочь исследователям узнать больше о клеточной биологии — дальнейшие эксперименты по созданию биороботов дадут ученым представление о том, как клетки взаимодействуют друг с другом в различных сочетаниях.
Это этично?
Исследователи признают, что создание совершенно новых организмов поднимает много этических вопросов — даже если эти организмы не способны думать или чувствовать в привычном понимании. По мере развития технологий научному сообществу, вероятно, придется выработать правила, обеспечивающие этичное отношение к организмам, подобным ксеноботам.
При этом исследователи отмечают, что ксеноботы не являются организмами в привычном смысле слова — они представляют собой набор клеток, которые реагируют на внешнюю стимуляцию.
Что ждет технологию?
Сейчас исследователи сосредоточены на развитии технологии, а не на использовании ксеноботов для решения медицинских или промышленных задач. В частности, ученые пытаются найти механизм, позволяющий клеткам четко взаимодействовать друг с другом внутри организма. Кроме того, инженеры экспериментируют с различными методами стимуляции роботов, в том числе электрическими и химическими сигналами.
Для развития технологии ученым предстоит научиться более точно контролировать процесс роста и взаимодействия разных типов клеток. На данный момент, по словам исследователей, эта цель не выглядит легкодостижимой — как и печать ксеноботов из живых клеток на 3D-принтере в промышленном масштабе. Пока ученые не могут сказать, как технология будет развиваться дальше и с какими ограничениями могут столкнуться разработчики роботов из живых клеток.
Бионические роботы копируют движения и структуру живых существ: птиц, насекомых, животных. Немецкая компания Festo для создания технических устройств использует принципы живой природы.
Новые разработки Festo
Каждый год инженеры компании представляют новые впечатляющие разработки бионических устройств и роботов. Вот несколько новинок:
Птица-робот
Пернатый робот, который умеет летать, называется BionicSwift и весит всего 42 грамма. Ее шестиграммовый аккумулятор позволяет держаться в воздухе 7 минут и питает три автономных двигателя, из которых два управляют полетом, а один машет крыльями.
Крылья — уникальная бионическая конструкция. Они снабжены пластиковыми перьями, как у настоящих птиц. Когда они движутся вверх, перья раздвигаются, пропуская воздух. При движении вниз, перья смыкаются, создавая подъемную силу.
Но BionicSwift — не просто модель, это полноценный робот, способный ориентироваться пространстве благодаря GPS и интеллектуальной трехмерной навигационной сети объектов. Более того, этот тип бионической птицы способен летать в стае с другими подобными роботами. Рой таких птичек пока состоит из 5 объектов.
Летучая мышь
Пару лет назад разработчики Festo показали замечательную бионическую летучую мышь, также способную летать. По сравнению с птичкой, она была просто огромной, с размахом крыльев более 2 метров. Но весила всего 580 грамм.
Эластичные крылья, по принципам бионики, копировали движения летучей мыши, причем могли двигаться и складываться индивидуально. Понятно, что кинематика сплошного крыла кардинально отличается от движений перьевого.
Бионические муравьи
Для отработки коллективных действий бионических роботов, Festo разработала целый ряд роботов-насекомых, среди которых можно выделить муравьев. Бионические муравьи работают автономно, но способны общаться друг с другом и выполнять коллективные задачи.
Как и их природные прототипы, роботы-муравьи могут совместно управлять объектами, которые больше их самих по размерам, толкая их в определенном направлении. Поскольку каждый муравей имеет длину в 13,5 см и весит 105 граммов, их работа выглядит впечатляющей.
Практическая биоробототехника
В портфолио разработчиков компании множество и других бионических существ: стрекоз, медуз, кенгуру, бабочек, пауков. Все они отличаются собственным набором функций и блестящих инженерных решений. Ведь эти изящные роботы несут в себе зерно серьезных практических продуктов.
Для поиска новых направлений и идей, Festo создала открытую научную сеть Bionic Learning Network, в которой участвуют многие ученые, инженеры, биологи и целые университеты. Благодаря этому принципы бионики привлекают к себе многих талантливых молодых людей со всего мира.
И это дает потрясающие результаты в биоробототехнике, которые уже внедряются в производство.
Промышленные манипуляторы:
- с адаптивными манипуляторами на принципах рыбьего хвоста;
- с захватом по принципу языка хамелеона;
- в виде хобота слона;
- в форме щупалец осьминога.
Промышленный робот 3D Cocooner плетет сетчатые конструкции из полимеров, как паук или гусеница.
фотографии Fest
Созданы и совершенствуются бионические протезы для человека и множество других практических приложений. Так что милые игрушки от Festo — это инженерные решения сегодняшнего дня и технические концепции завтрашнего.
Комментариев нет:
Отправить комментарий