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Roboter-Stachelrochen aus Rattenherzen, Algen und Plastikflossen
Wissenschaftler haben einen Roboter-Stachelrochen gebaut, der aus Herzmuskelzellen einer Ratte, einem Skelett aus Gold, Plastikflossen und lichtaktivierten Algenproteinen besteht – denn warum nicht?
Sung-Jin Park leitete das Projekt, das heute in der Zeitschrift beschrieben wird Wissenschaft . Er sagt, die Herstellung der winzigen, 16 Millimeter langen Roboter dauert etwa eine Woche, hauptsächlich wegen der Zeit, die es dauert, die Herzmuskelzellen in der Stachelrochenform zu züchten. Park ist Wissenschaftler im Labor von Kevin Kit Parker an der Harvard University, das vor vier Jahren eine Biohybrider Quallenroboter . Die Qualle sei nicht zu kontrollieren, sagt Park, eine Herausforderung, die er mit dem vergleichsweise agilen Stachelrochen gemeistert habe.
Der Roboter-Stachelrochen wird vorwärts getrieben, wenn er mit LED-Lichtstößen stimuliert wird.
Sung-Jin Park und Kollegen modellierten ihren Biohybrid-Roboter nach der wellenförmigen Bewegung des kleinen Schlittschuhs, der hier zu sehen ist.
Strahlen sind eine ideale Blaupause für die nächste Generation autonomer Unterwasserfahrzeuge, sagt Keith Moored, ein Maschinenbauingenieur von der Lehigh University in Bethlehem, Pennsylvania. Mantarochen sind sehr effiziente Schwimmer, sagt Moored, und die Modellierung ihres Unterwassergleitens könnte ein vielversprechendes Mittel zum Energiesparen darstellen. Parks Roboter basiert auf einer anderen Rochenart, aber es gelten die gleichen Prinzipien.
Die Roboterrochen werden in vier Schichten auf einer Titanform hergestellt. Eine dehnbare Polymerschicht wird mit dem Laser in die Stachelrochenform geschnitten, gefolgt von einem dünnen Goldskelett. Diese wird mit einer zweiten dehnbaren Schicht abgedeckt, bevor die Herzmuskelzellen ausgesät werden.
Wenn die Herzmuskelzellen aktiviert werden, breitet sich das Signal zur Kontraktion entlang der Zellen in einer Linie aus. Park ordnete die Zellen, die er aus einem Rattenherz gewonnen hatte, in einem serpentinenartigen Zick-Zack-Muster entlang der Flossen des Stachelrochens an. Dadurch können sich die Flossen in wellenförmigen Wellen bewegen, wenn sich die Kontraktion von vorne nach hinten ausbreitet.
Natürlich ist der Roboter-Stachelrochen keine perfekte Nachbildung des echten Deals. Die Muskeln des Roboters können sich nur nach unten zusammenziehen. Echte Stachelrochen haben eine zweite Muskelschicht für große Aufwärtsbewegungen, während der Roboter die elastische Energie des Goldskeletts nutzt, um seine Flossen wieder an ihren Platz zu bringen. Deshalb glauben wir, dass es eine Leistungslücke gibt, und das Hinzufügen einer zweiten Ebene könnte diese Lücke schließen, sagt Park.
Die Muskeln werden über Licht durch eine Technik gesteuert, die als Optogenetik bekannt ist. Dabei wird das Gen für ein aus Algen gewonnenes Protein in die Muskelzellen eingeschleust. Blaues Licht bewirkt, dass dieses Protein das Muskelgewebe aktiviert.
Diese Art von Biobot wurde schon früher hergestellt, aber Parks Stachelrochen zeigt eine größere Manövrierfähigkeit. Park führte den Roboter mit LED-Lichtern durch einen einfachen Hindernisparcours und zeigte, dass der Stachelrochen andere Biohybrid-Roboter in Geschwindigkeit, Entfernung und Haltbarkeit übertrifft. Dennoch sind die Stachelrochen nicht gerade olympische Schwimmer, die in einem 250-Millimeter-Hindernisparcours nur 1,5 Millimeter pro Sekunde zurücklegen.
Warum jemand einen kleinen Roboter-Stachelrochen haben möchte, sagt Park, er interessiert sich einfach für das biologische Modell, die Herstellung dieser Schaltkreise und die Gestaltung eines Signalwegs. Die Entwicklung von Modellen dafür, wie sich künstliches Herzgewebe zusammenzieht, kann auch bei der Entwicklung zukünftiger künstlicher Organe helfen.
Laut Moored kann die Verwendung echter biologischer Muskeln im Vergleich zu anderen Technologien zu einer außergewöhnlich leisen Geräuschsignatur führen. Dies ist wichtig für eine Reihe von Anwendungen, von der Herstellung heimlicher Aufklärungsfahrzeuge bis hin zur Entwicklung von Geräten, die Arten nichtinvasiv verfolgen und ihr Verhalten beobachten können, sagt er.