میکروالکترونیک تعبیه شده در چتر دریای زنده پیشرانه را تقویت می کند

میکروالکترونیک

0

میکروالکترونیک

محققان مواد رباتیک با هدف کنترل مصنوعی حرکتی حیوانات برای رفع چالش های موجود برای تحریک ، کنترل و نیازهای قدرت در روباتیک نرم هدف دارند . در گزارشی جدید در علوم پیشرفت، نیکول دبلیو Xu و جان ا. دبیری در بخش های مهندسی زیستی ، مهندسی عمران و محیط زیست و مهندسی مکانیک در دانشگاه استنفورد یک ربات بیوهیبرید را ارائه دادند که از میکروالکترونیک بر روی آن برای القاء شنا در چتر دریای زنده استفاده می کرد. آنها توانایی افزایش قابل ملاحظه پیشران را با رانندگی انقباضات بدن در محدوده فرکانس بهینه سریعتر از رفتار طبیعی اندازه گیری کردند. این مانور تقریباً سه برابر سرعت شنا را افزایش داد ، اگرچه تنها با دو برابر افزایش در متابولیک حیوانات و ۱۰ مگاوات انرژی ورودی خارجی به میکروالکترونیک. این ربات بیوهیبرید نسبت به روبات های آبی که قبلاً گزارش شده بود از ۱۰ تا ۱۰۰۰ برابر کمتر از قدرت خارجی در هر توده استفاده می کرد. این قابلیت می تواند دامنه عملکرد روبات های بیوهیبرید را نسبت به عملکرد بومی بهبود بخشد ،

دانشکده ها : چتر دریایی به دلیل کم هزینه بودن حمل و نقل (COT) یک ارگانیسم مدل قانع کننده برای تشکیل وسایل نقلیه زیر آب کارآمد با انرژی است . روبات های بیومتریک موجود در حیوانات شنا که کاملاً از مواد مهندسی ساخته شده اند ، می توانند به سرعت هایی با حیوانات طبیعی قابل مقایسه باشند ، اما با سفارشات قدر کمتر از چتر دریایی . بنابراین روبات های چتر دریایی Biohybrid می توانند حیوانات زنده را برای رفع چالش های موجود در روباتیک نرم ادغام کنند. محققان می توانند از ساختار چتر دریایی برای تحریک استفاده کرده و با کشف رفتارهای تغذیه طبیعی در جایی که انرژی شیمیایی را از طعمه درجا استخراج می کنند ، از ساختار چتر دریایی استفاده کنند. این روش همچنین می تواند بهبودی از آسیب از طریق فرآیندهای بهبود زخم طبیعی که به ذات حیوانات وارد می شود ، کنترل حرکات حیوان را نیز کنترل کندو اجازه می دهد مطالعات اضافی در مورد بیومکانیک موجود زنده زنده در آزمایش های کنترل شده توسط کاربر. در این مطالعه ، Xu و Dabiri از یک سیستم میکروالکترونیک برای کنترل بیرونی یک چتر دریایی زنده و تشکیل یک روبات بیوهیبرید برای پیشبرد علم و مهندسی حرکات آبزی استفاده کردند.

به منظور فعال کردن چتر دریایی به عنوان یک داربست طبیعی ، این تیم از متابولیسم پایه ای حیوان برای کاهش نیازهای اضافی نیرو استفاده کرده و در حالی که با تکیه بر خود بهبودی و خاصیت بازسازی بافت برای افزایش تحمل آسیب ، عضلات خود را برای فعال سازی اعمال می کنند. این تیم فرض کرده اند که افزایش فرکانس انقباض زنگ دریایی چتر دریایی می تواند سرعت شنا را تا یک حد افزایش دهد. بنابراین آنها با استفاده از اندازه گیری سرعت شنا و میزان اکسیژن برای محاسبه هزینه حمل و نقل (COT) و آزمایش فرضیه کاری خود ، تعداد دفعات پالس در حیوانات شنا آزاد را کنترل کردند. پیش از این چنین امتحانات فقط از طریق مدل های محاسباتی یا نظری امکان پذیر بود.

میکروالکترونیک تعبیه شده در چتر دریای زنده پیشرانه را تقویت می کند

زو و همکاران Aurelia aurita را به عنوان یک ارگانیسم مدل انتخاب کرد. یک گونه چتر دریایی از چتر دریایی حاوی یک زنگ mesogleal انعطاف پذیر و تک لایه ای از عضلات تاج و شعاعی که سطح زیر بغل را می پوشاند . به منظور شنا ، ارگانیسم ها برای کاهش حجم حفره زیر زیر بغل و بیرون کشیدن آب ، عضلات را منقبض می کنند تا در کنار کمک های اضافی از جذب انرژی غیرفعال و نیروی محرک مبتنی بر مکش ، نیروی حرکتی ایجاد کنند . برای شروع این انقباضات عضلانی ، چتر دریایی هر یک از ضربان سازهای سبک خود را که در اندامهای حسگر معروف به روپالیا قرار دارد ، فعال کرد.در امتداد حاشیه زنگ این خوشه های عصبی کل شبکه عصبی حرکتی را فعال کرده و باعث ایجاد انتشار موج عضله دو طرفه می شوند که در طی انتشار طبیعی از پشته سازهای فعال شده منشا گرفته است .

 

میکروالکترونیک ادغام طراحی رباتیک در چتر دریایی زنده و اعتبار دستگاه

دانشمندان ابتدا برای ایجاد موج پالس مربعی و تحریک انقباضات ماهیچه ها از ۰٫۲۵ هرتز تا ۱٫۰۰ هرتز ، یک کنترل کننده میکروالکترونیک قابل حمل و دارای خاصیت خود را طراحی کردند. آنها کنترلر را با یک مینی پردازنده TinyLily تشکیل دادندو یک سلول پلیمری لیتیوم ۱۰ میلی آمپر ساعتی. برای تأیید بصری سیگنال الکتریکی ، Xu و همکاران. سیمها را به صورت سری به دیودهای تابش نور TinyLily (LED) وصل کرد. آنها سپس الکترودها را بصورت دو طرفه در بافت زیرزمینی قرار داده و این سیستم را بطور طبیعی با واشرهای فولادی ضدزنگ و چوب پنبه نگهداری کردند. برای تأیید این نکته که کنترل کننده شنا می تواند کنترل بیرونی انقباضات زنگ دریایی را انجام دهد ، دانشمندان روشی را برای ردیابی حرکت حاشیه زنگ تهیه کردند. برای این کار ، آنها سه مجموعه آزمایش را انجام دادند ، (۱) برای مشاهده انقباضات درون زا از ارگانیسم در صورت عدم وجود هرگونه اختلال ، (۲) برای مشاهده اینکه جاسازی مکانیکی الکترودهای غیرفعال بر رفتار حیوانات طبیعی تأثیر گذاشته و (۳) برای آزمایش پروتکل های تحریک به. انقباضات رانده شده خارجی را تأیید کنید.

میکروالکترونیک تعبیه شده در چتر دریای زنده پیشرانه را تقویت می کند

آنها دریافتند که رفتار حیوانات طبیعی (یا انقباض درون زا) با تنوع زیاد نبض – از جمله میانگین فرکانس اوج ۰٫۱۶ هرتز ، نامنظم است. یک الکترود غیرفعال طیف فرکانس را به طور قابل توجهی تغییر نکرد ، در حالی که انقباضات رانده شده خارجی حد فیزیولوژیکی انقباضات عضلات چتر دریایی را بین ۱٫۴ هرتز تا ۱٫۵ هرتز نشان می داد. 

این تیم آزمایشات شنا را با استفاده از سیستم کاشت در یک مخزن آب نمکی انجام داده و سرعت اندازه گیری شده را به طور طبیعی عادی کردند تا تغییرات در اندازه حیوانات را به خود اختصاص دهند. آنها در صورت عدم تحریک (یعنی ۰ هرتز) سرعت عادی شده را با میانگین سرعت عادی مقیاس زدند تا فاکتور تقویت را تعیین کنند. حداکثر ضریب تقویت تا ۲٫۸ برابر سرعت طبیعی شنا حیوانات بود ، یعنی سرعت شنا با استفاده از میکروالکترونیک برد بیش از ۲٫۸ برابر افزایش یافت.

مصرف برق دستگاه بسیار کارآمد

چتر دریایی کنترل شده مصنوعی نیاز به نیروی خارجی از سیستم میکروالکترونیک و قدرت داخلی از سوخت و ساز بدن حیوانات داشت. هنگام افزایش فرکانسها ، سیستم میکروالکترونیکی چتر دریایی بیوهیبرید بیشتر در هر کیلوگرم وات مصرف می کند. با این حال ، در مقایسه با روبات های موجود ، این ربات بیوهیبرید تا ۱۰۰۰ برابر قدرت خارجی کمتری استفاده می کند. زو و همکاران مقایسه این نمونه اولیه با پرتوهای medusoid و robotic ساخته شده از کاردیومیوسیتهای موش بذر شده در داربستهای سیلیکونی ، و با روباتهای کاملاً مکانیکی و همچنین وسایل نقلیه زیر آب مستقل(AUV) علاوه بر مقرون به صرفه بودن از مزایای مصرف برق خارجی کم در هر توده ربات بیوهیبرید ، سیستم میکروالکترونیکی تنها از اجزای تجاری موجود فقط کمتر از ۲۰ دلار هزینه دارد. الکترولکشن نیز غیر اختصاصی بود و حیوانات بلافاصله پس از آزمایش بهبود یافتند.

میکروالکترونیک تعبیه شده در چتر دریای زنده پیشرانه را تقویت می کند

قابلیت جدید کنترل خارجی Xu et al. برای بررسی رابطه بین فراوانی شنا و میزان متابولیسم. میزان مصرف اکسیژن از الگوی مشابه با افزایش سرعت شنا پیروی کرد و دانشمندان هزینه معادل حمل و نقل را با استفاده از هر دو میزان متابولیک تجربی و سرعت شنا آزمایش کردند. COT در فرکانس های میان رده افزایش یافته و در فرکانس تحریک خارجی بالا کاهش یافته است. نتایج نشان داد که شنا کردن چتر دریایی باعث افزایش هزینه متابولیسم سوخت و ساز حیوان نمی شود.

حد اصلی رباتیک مطالعه میزان توان سیستم میکروالکترونیک نسبت به حیوانات در مقابل نیازهای انرژی میکروالکترونیکی بود. بهبود بیشتر در میکروالکترونیک می تواند هزینه های پرانرژی را کاهش دهد و مطالعات گسترده همچنین می توانند در جهت به حداقل رساندن انقباضات حیوانات درون زا بدون آسیب رساندن به ارگانیسم به منظور بهبود قابلیت کنترل روبات های بیوهیبریدی مبتنی بر حیوانات زنده تلاش کنند. کنترل مصنوعی چتر دریایی می تواند تکنیک های نظارت بر اقیانوس ها را با کنترل پذیری بهبود یافته با ترکیب حسگرهای میکروالکترونیکی برای بهره‌گیری از فناوری برچسب زدن موجود گسترش دهد .

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.