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 la vida molecular del músculo y las mecánicas fundamentales que tendrían que ser replicadas para artificialmentelograr las capacidades derivadas de las proteínas responsables de la contracción muscular.
Los 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 el 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 estas mecánicas fundamentales es un paso fundamental necesario para tomar decisiones informadas sobre la viabilidad de nuevas direcciones en robótica que impliquen la combinación de biología sintética, robótica y dinámica e ingeniería de controles.
El diario de ingeniería biomecánica recientemente presentó su investigación.
"Al controlar la rigidez de las diferentes características geométricas de un diseño simple de palanca-brazo, descubrimos que podíamos usar el movimiento browniano para hacer que el nanomotor sea más capaz de alcanzar posiciones deseables para crear movimiento lineal", dijo Dean Culver, investigador enDirección de Tecnología de Vehículos de CCDC ARL. "Esta característica de nanoescala se traduce en una actuación más eficiente energéticamente a escala macro, lo que significa robots que pueden hacer más por el guerrero durante un período de tiempo más largo".
Según Culver, las descripciones de las interacciones proteicas en la contracción muscular son típicamente de un nivel bastante alto. Más específicamente, en lugar de describir las fuerzas que actúan sobre una proteína individual para buscar su contraparte, funciones prescritas o empíricas que determinan las condiciones bajola comunidad investigadora ha utilizado un evento vinculante o de 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 gasolina, más potencia. Pesa tanto y ocupa mucho espacio. La combustión está involucrada. Pero,no se puede diseñar un motor de automóvil con ese tipo de información a nivel de superficie. Debe comprender cómo funcionan los pistones y cómo se debe ajustar la inyección finamente. Esa es una comprensión del motor a nivel de componente. Nos sumergimos en el componente-mecánica de nivel del sistema de proteínas incorporado y muestra el valor de diseño y control de la funcionalidad vital, así como una comprensión más clara de los parámetros de diseño que serían clave para reproducir sintéticamente dicha funcionalidad vital ".
Culver afirmó que la capacidad del movimiento browniano para patear una partícula atada desde una posición elástica desventajosa a una ventajosa, en términos de producción de energía para un motor molecular, ha sido ilustrada por ARL a nivel de componente, un paso crucial en eldiseño de nanomotores artificiales que ofrecen las mismas capacidades de rendimiento que los biológicos.
"Esta investigación agrega una pieza clave del rompecabezas para robots rápidos y 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, de baja firma térmica"y eficiente: 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 un motor comparable y eficientedebido a las ventajas del modelo de energía química distribuida y el escape potencial a través del movimiento browniano.
Según Culver, la amplitud de aplicaciones para actuadores inspirados en las máquinas biomoleculares en los músculos de los animales aún se desconoce, pero muchos de los espacios de aplicación existentes tienen aplicaciones claras del Ejército, como robótica bioinspirada, nanomáquinas y recolección de energía.
"La investigación fundamental y exploratoria en esta área es, por lo tanto, una inversión inteligente para nuestras futuras capacidades de combate", dijo Culver.
Avanzando, hay dos extensiones principales de esta investigación.
"Primero, necesitamos entender mejor cómo las moléculas, como la partícula atada que se analiza en nuestro artículo, interactúan entre sí en entornos más complicados", dijo Culver. "En el documento, vemos cómo una partícula atada puede aprovechar Brownian de manera útil"movimiento para beneficiar la contracción del músculo en general, pero la partícula en este primer modelo está en un ambiente idealizado. En nuestros cuerpos, está sumergido en un fluido que transporta muchos iones diferentes y moléculas que contienen energía en solución. Esa es la última pieza delrompecabezas para los modelos monomotor a nanoescala de motores moleculares "
La segunda extensión, afirmó Culver, es repetir este estudio con un modelo tridimensional completo, allanando el camino para ampliar a diseños prácticos.
También es notable el hecho de que debido a que esta investigación es muy joven, los investigadores de ARL usaron este proyecto para establecer relaciones con otros investigadores de la comunidad académica.
"Apoyarse en su experiencia será fundamental en los años venideros, y hemos hecho un gran trabajo para llegar a miembros de la facultad e investigadores de lugares como la Universidad de Washington, la Universidad de Duke y la Universidad Carnegie Mellon", dijo Culver.
Según Culver, llevar este proyecto de investigación a los próximos pasos con la ayuda de socios colaboradores conducirá a enormes capacidades para los futuros soldados en combate, un requisito crítico teniendo en cuenta la naturaleza del campo de batalla en constante cambio.
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Materiales proporcionado por Laboratorio de investigación del ejército de EE. UU. . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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