Что мы обычно представляем себе, кода задумываемся о роботах? Обычно это нечто «жужжащее», металлическое, возможно, покрытое пластиком. Такие роботы обычно сделаны из твердых, крепких материалов.
Учитывая то, что сегодня роботы обретают все большее распространение вне лаборатории и постепенно становятся частью жизни обычных людей, их строение вызывает все больше вопросов. Ведь если металлический робот на полном ходу врежется в человека или в животное, возникает риск травм.
Более «дружелюбные» роботы
Исследователи стремятся найти как можно более выгодные решения этой проблемы. Что же можно сделать с роботом, чтобы он не был таким тяжелым, твердым и абсолютно негибким?
Для традиционных роботов, работающих от мотора, используется такой прием, как «воздушные мускулы». То есть между мотором и движущимися частями робота находятся пружины, которые добавляют эластичности. Пружина при столкновении «впитывает» часть энергии, и удар получается не такой сильный.
У робота-пылесоса Румбы есть бампер, который прикреплен к каркасу на пружинах, таким образом, робот не может повредить предметы обихода и мебель, даже если сталкивается с ними во время работы.
Тканевая инженерия
Существует еще одно направление исследовательской работы, которое сфокусировано на другом подходе к созданию более «дружественных» роботов. Объединяя механику и тканевую инженерию, ученые начинают создавать роботов, которые работают не от мотора, а от живых клеток и мускулов. Стимулировать эти клетки можно как с помощью электричества, так и с помощью света. Под воздействием стимуляторов тканевые клетки сокращаются, что приводит к движению механического скелета. Таким образом биоробот может передвигаться и при этом быть таким же «мягким», как животное. Биороботы безопаснее для окружающей среды, не представляют опасности для людей, животных и окружающих предметов и благодаря тому, что им не нужны батареи, они гораздо легче своих традиционных предшественников.
Как создаются биороботы?
Ученые выращивают живые клетки, обычно основанные на сердечных клетках лабораторных животных, на нетоксичных каркасах. Каркас обязательно должен подходить для живых клеток, иначе высокий уровень токсичности убьет их.
Если основа или так называемый скелет состоит из полимеров, то робот, полученный в результате процесса, называется биогибридом, то есть объединяющим в себе природные и антропогенные материалы.
Строение биогибридных роботов
Если выращивать клетки на каркасе в свободном порядке, они окажутся разбросанными. Это значит, что когда они будут стимулироваться светом или электричеством, их сокращения будут настолько беспорядочными, что в итоге робот окажется бесполезным.
Чтобы лучше спроектировать биогибрида, ученые прибегают к микроструктурированию. На каркас наносятся крошечные линии, состоящие из тех субстанций, к которым предпочитают прикрепляться клетки различных видов. Под руководством этих линий новая ткань растет на каркасе предсказуемо и соотносительно с будущим движением «скелета». Когда клетки выращены организованно, исследователи могут рассчитывать их сокращения и направлять движение биогибрида.
Биогибриды, вдохновленные животными
Группа ученых Калифорнийского технологического института разработала робота-биогибрида, вдохновленного медузой. Ученые называют свое детище медузоидом. Биогибрид внешне напоминает медузу – у него несколько «щупалец», расположенных по кругу. На каркас каждого щупальца были прикреплены протеиновые линии, благодаря которым ткань биогибрида росла так же, как ткань живой медузы. Когда искусственно выращенные клетки сжимаются под действием света, щупальца биогибрида движутся внутрь, заставляя медузоид плыть вверх, туда, где находится богатая питательными веществами жидкость.
Ученые Гарварда даже продемонстрировали управление своим биогибридным созданием. Их робот был создан из генетически модифицированных сердечных клеток и внешне напоминает морского дьявола, также известного под названием скат Манта.
Клетки были генетически изменены, чтобы отвечать на световые волны различной частоты. Правая сторона биогибрида отвечает на свет одной частоты, а левая – другой. Таким образом, меняя частоту световых волн, ученые заставляли своего искусственного ската не только плыть верх и вниз, но и поворачиваться.
Слабые стороны биогибридов
Несмотря на удивительный прогресс, достигнутый в этой области в последнее время, ученым еще есть над чем работать. Пока биогибриды не могут существовать вне лабораторий. Их клеткам, выращенным из ткани животных или птиц, нужна определенная стабильная окружающая среда с постоянной амбиентной температурой, равной температуре тела. Кроме того, клеткам нужны питательные вещества, чтобы поддерживать их жизнеспособность.
Возможным решением этой проблемы является своеобразный защитный панцирь, который будет защищать биогибрида от внешней среды и постоянно его подпитывать.
Более живучие клетки
Еще одно решение предложили ученые Университета Кейс Вестерн Резерв, США. Они изучают живучего морского моллюска Aplysia californica. Этот моллюск обитает в приливных водах побережья и регулярно испытывает перемены температуры воды и ее солености. Чтобы выдержать такие ежедневные перемены и выжить, этот моллюск должен был развить очень живучие и устойчивые клетки.
Ученые этого частного университета сумели не только вырастить клетки морского моллюска, но и использовать их в качестве двигателя своего биогибрида, тем самым доказав, что биороботы могут быть гораздо крепче. Кроме того, что у нового биогибрида более устойчивая ткань, он способен переносить на себе небольшой груз.
Контроль биогибридов
Еще одной проблемой в использовании биогибридов вне лаборатории является невозможность их самоконтроля. Клетки сокращаются только при воздействии электричества или света. В открытой среде такое воздействие будет ненаправленным, и биоробот останется на милость стихии.
Чтобы использовать биороботов и биогибридов, нужно снабдить их автономным управлением, влияющим непосредственно на работу клеток и движение скелета. Это возможно с использованием нейронных кластеров в качестве органической, естественной и автономной панели управления.
Использование биороботов
Несмотря на то, что вся отрасль находится только в начале своего пути, ученые уже планируют возможные варианты использования биогибридов. Например, биороботы на основе морского моллюска могут использоваться для поиска токсичных веществ в водоемах. Благодаря биологическим свойствам, если робот сломается или будет съеден более крупными представителями морской фауны, он не причинит им вреда, в отличие от традиционных металлических или пластиковых роботов.
Возможно, в недалеком будущем ученым удастся создать биогибриды на основе человеческой ткани. Такие микророботы могут использоваться в лечении кардиоваскулярных заболеваний и аневризмы. Их использование будет полностью безопасно для организма, особенно если в качестве основы использовать органические материалы. Такие роботы смогут доставлять лекарство прямо к пункту назначения, без хирургического вмешательства и сложных операций.
Сегодня возможно создание только биогибридов небольшого размера, однако, если ученым удастся искусственно вырастить кровеносную систему, станет возможным создание роботов больших размеров, которые будут приводиться в движение мышечной системой.
