Nel tentativo di rendere i robot compagni di squadra più efficaci e versatili per i soldati in combattimento, I ricercatori dell'esercito sono in missione per comprendere il valore della funzionalità vivente molecolare del muscolo, e la meccanica fondamentale che dovrebbe essere replicata per ottenere artificialmente le capacità derivanti dalle proteine ​​responsabili della contrazione muscolare.

Bionanomotori, come miosine che si muovono lungo reti di actina, sono responsabili della maggior parte dei metodi di movimento in tutte le forme di vita. Così, lo sviluppo di nanomotori artificiali potrebbe cambiare le regole del gioco nel campo della ricerca robotica.

I ricercatori del laboratorio di ricerca dell'esercito del comando di sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti hanno cercato di identificare un progetto che consentisse al nanomotore artificiale di sfruttare il movimento browniano, la proprietà delle particelle di muoversi in modo agitato semplicemente perché sono calde.

I ricercatori del CCDC ARL ritengono che la comprensione e lo sviluppo di questi meccanismi fondamentali siano un passo fondamentale necessario per prendere decisioni informate sulla fattibilità di nuove direzioni nella robotica che coinvolgono la fusione di biologia sintetica, robotica, e l'ingegneria della dinamica e dei controlli.

Il giornale di ingegneria biomeccanica recentemente presentato la loro ricerca.

"Controllando la rigidità delle diverse caratteristiche geometriche di un semplice design a braccio di leva, abbiamo scoperto che potevamo usare il moto browniano per rendere il nanomotore più capace di raggiungere posizioni desiderabili per creare movimento lineare, " ha detto Dean Culver, un ricercatore nella direzione della tecnologia dei veicoli del CCDC ARL. "Questa caratteristica su scala nanometrica si traduce in un'attuazione più efficiente dal punto di vista energetico su scala macro, significa robot che possono fare di più per il combattente per un periodo di tempo più lungo."

Secondo Culver, le descrizioni delle interazioni proteiche nella contrazione muscolare sono tipicamente di livello abbastanza alto. Più specificamente, piuttosto che descrivere le forze che agiscono su una singola proteina per cercare la sua controparte, funzioni di velocità prescritte o empiriche che determinano le condizioni in cui si verifica un evento di legame o di rilascio sono state utilizzate dalla comunità di ricerca per replicare questo processo biomeccanico.

"Questi modelli di contrazione muscolare ampiamente accettati sono simili a una comprensione della scatola nera del motore di un'auto, " Disse Culver. "Più gas, più potenza. Pesa così tanto e occupa così tanto spazio. La combustione è coinvolta. Ma, non puoi progettare un motore di un'auto con quel tipo di informazioni a livello di superficie. Devi capire come funzionano i pistoni, e quanto finemente deve essere regolata l'iniezione. Questa è una comprensione a livello di componente del motore. Ci tuffiamo nella meccanica a livello di componente del sistema proteico costruito e mostriamo il design e il valore di controllo della funzionalità vivente, nonché una comprensione più chiara dei parametri di progettazione che sarebbero la chiave per riprodurre sinteticamente tale funzionalità vivente".

Culver ha affermato che la capacità del moto browniano di spostare una particella legata da una posizione elastica svantaggiosa a una vantaggiosa, in termini di produzione di energia per un motore molecolare, è stato illustrato da ARL a livello di componente, un passaggio cruciale nella progettazione di nanomotori artificiali che offrono le stesse capacità di prestazioni di quelli biologici.

"Questa ricerca aggiunge un pezzo chiave del puzzle per una rapida, robot versatili in grado di eseguire manovre tattiche autonome e funzioni di ricognizione, " ha detto Culver. "Questi modelli saranno parte integrante della progettazione di attuatori distribuiti silenziosi, bassa firma termica ed efficienza:caratteristiche che renderanno questi robot più efficaci sul campo."

Culver ha notato che sono silenziosi perché i muscoli non fanno molto rumore quando si attivano, soprattutto rispetto a motori o servocomandi, freddo perché la quantità di calore generata in un muscolo è molto inferiore a quella di un motore comparabile, ed efficiente a causa dei vantaggi del modello di energia chimica distribuita e potenziale fuga tramite moto Browniano.

Secondo Culver, l'ampiezza delle applicazioni per attuatori ispirati alle macchine biomolecolari nei muscoli animali è ancora sconosciuta, ma molti degli spazi applicativi esistenti hanno chiare applicazioni dell'esercito come la robotica bio-ispirata, nanomacchine e raccolta di energia.

"La ricerca fondamentale ed esplorativa in questo settore è quindi un saggio investimento per le nostre future capacità di caccia, " ha detto Culver.

Andando avanti, ci sono due estensioni principali di questa ricerca.

"Primo, dobbiamo capire meglio come le molecole, come la particella legata discussa nel nostro articolo, interagiscono tra loro in ambienti più complicati, "Culver ha detto. "Nel giornale, vediamo come una particella legata può utilmente sfruttare il movimento browniano per favorire la contrazione del muscolo in generale, ma la particella in questo primo modello si trova in un ambiente idealizzato. Nei nostri corpi, è immerso in un fluido che trasporta in soluzione molti ioni diversi e molecole portatrici di energia. Questo è l'ultimo pezzo del puzzle per il monomotore, modelli in nanoscala di motori molecolari".

La seconda estensione, ha dichiarato Culver, è ripetere questo studio con un modello 3D completo, aprendo la strada alla scalabilità fino a progetti pratici.

Degno di nota è anche il fatto che, poiché questa ricerca è così giovane, I ricercatori dell'ARL hanno utilizzato questo progetto per stabilire relazioni con altri ricercatori nella comunità accademica.

"Appoggiarsi alla loro esperienza sarà fondamentale negli anni a venire, e abbiamo fatto un ottimo lavoro nel raggiungere membri di facoltà e ricercatori provenienti da luoghi come l'Università di Washington, Duke University e Carnegie Mellon University, " ha detto Culver.

Secondo Culver, portare questo progetto di ricerca nei prossimi passi con l'aiuto di partner collaborativi porterà a enormi capacità per i futuri soldati in combattimento, un requisito fondamentale considerando la natura del campo di battaglia in continua evoluzione.