En un esfuerzo por hacer que los robots sean compañeros de equipo más efectivos y versátiles para los soldados en combate, Los investigadores del ejército tienen la misión de comprender el valor de la funcionalidad de vida molecular del músculo, y la mecánica fundamental que habría que replicar para lograr artificialmente las capacidades derivadas de las proteínas responsables de la contracción muscular.

Bionanomotores, como las miosinas que se mueven a lo largo de las redes de actina, son responsables de la mayoría de los métodos de movimiento en todas las formas de vida. Por lo tanto, El desarrollo de nanomotores artificiales podría cambiar las reglas del juego en el campo de la investigación en robótica.

Investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU. Han estado buscando identificar un diseño que permita que el nanomotor artificial aproveche el movimiento browniano. la propiedad de las partículas de moverse con agitación simplemente porque están calientes.

Los investigadores de CCDC ARL creen que comprender y desarrollar esta mecánica fundamental es un paso fundamental necesario para tomar decisiones informadas sobre la viabilidad de nuevas direcciones en robótica que involucran la combinación de biología sintética. robótica, e ingeniería de dinámica y controles.

La revista de ingeniería biomecánica presentó recientemente su investigación.

"Al controlar la rigidez de diferentes características geométricas de un diseño simple de brazo de palanca, descubrimos que podíamos usar el movimiento browniano para hacer que el nanomotor fuera más capaz de alcanzar posiciones deseables para crear movimiento lineal, "dijo Dean Culver, investigador de la Dirección de Tecnología de Vehículos de la CCDC ARL. "Esta característica de nanoescala se traduce en una actuación energéticamente más eficiente a una escala macro, es decir, robots que pueden hacer más por el guerrero durante un período de tiempo más largo ".

Según Culver, las descripciones de las interacciones de las proteínas en la contracción muscular suelen ser de un nivel bastante alto. Más específicamente, en lugar de describir las fuerzas que actúan sobre una proteína individual para buscar su contraparte, La comunidad investigadora ha utilizado funciones de velocidad prescritas o empíricas que dictan las condiciones bajo las cuales se produce un evento de unión o liberación para replicar este proceso biomecánico.

"Estos modelos de contracción muscular ampliamente aceptados son similares a una comprensión de caja negra del motor de un automóvil, "Dijo Culver." Más gas, más poder. Pesa tanto y ocupa tanto espacio. Está involucrada la combustión. Pero, no se puede diseñar un motor de automóvil con ese tipo de información a nivel de superficie. Necesita comprender cómo funcionan los pistones, y qué tan finamente debe ajustarse la inyección. Esa es una comprensión del motor a nivel de componente. Nos sumergimos en la mecánica a nivel de componente del sistema de proteínas construido y mostramos el valor de diseño y control de la funcionalidad viva, así como una comprensión más clara de los parámetros de diseño que serían clave para reproducir sintéticamente dicha funcionalidad viva ".

Culver declaró que la capacidad del movimiento browniano para patear una partícula atada de una posición elástica desventajosa a una ventajosa, en términos de producción de energía para un motor molecular, ha sido ilustrado por ARL a nivel de componente, un paso crucial en el diseño de nanomotores artificiales que ofrecen las mismas capacidades de rendimiento que los biológicos.

"Esta investigación agrega una pieza clave al rompecabezas para Robots versátiles que pueden realizar maniobras tácticas autónomas y funciones de reconocimiento. ", Dijo Culver." Estos modelos serán parte integral del diseño de actuadores distribuidos que son silenciosos, baja firma térmica y eficiencia:características que harán que estos robots sean más impactantes en el campo ".

Culver notó que están en silencio porque los músculos no hacen mucho ruido cuando actúan, especialmente en comparación con motores o servos, frío porque la cantidad de generación de calor en un músculo es mucho menor que la de un motor comparable, y eficiente debido a las ventajas del modelo de energía química distribuida y el escape potencial a través del movimiento browniano.

Según Culver, La amplitud de aplicaciones de los actuadores inspirados en las máquinas biomoleculares en los músculos de los animales aún se desconoce. pero muchos de los espacios de aplicación existentes tienen claras aplicaciones del Ejército, como la robótica bioinspirada, nanomáquinas y recolección de energía.

"La investigación fundamental y exploratoria en esta área es, por lo tanto, una sabia inversión para nuestras futuras capacidades de combate, "Dijo Culver.

Avanzando hay dos extensiones principales de esta investigación.

"Primero, necesitamos comprender mejor cómo las moléculas, como la partícula atada discutida en nuestro artículo, interactuar entre sí en entornos más complicados, "Culver dijo." En el periódico, Vemos cómo una partícula atada puede aprovechar de manera útil el movimiento browniano para beneficiar la contracción del músculo en general, pero la partícula en este primer modelo está en un entorno idealizado. En nuestros cuerpos está sumergido en un fluido que lleva en solución muchos iones diferentes y moléculas portadoras de energía. Esa es la última pieza del rompecabezas del monomotor, modelos a nanoescala de motores moleculares ".

La segunda extensión, declaró Culver, es repetir este estudio con un modelo 3D completo, allanando el camino para escalar a diseños prácticos.

También es notable el hecho de que, debido a que esta investigación es tan reciente, Los investigadores de ARL utilizaron este proyecto para establecer relaciones con otros investigadores de la comunidad académica.

"Apoyarse en su experiencia será fundamental en los próximos años, y hemos hecho un gran trabajo al llegar a miembros de la facultad e investigadores de lugares como la Universidad de Washington, Universidad de Duke y Universidad Carnegie Mellon, "Dijo Culver.

Según Culver, llevar este proyecto de investigación a los próximos pasos con la ayuda de socios colaborativos conducirá a enormes capacidades para los futuros soldados en combate, un requisito fundamental teniendo en cuenta la naturaleza del campo de batalla en constante cambio.