Мягкий робот, созданный китайскими учеными на основе биотехнологий личинок дрозофилы, может катиться сам по себе по неровной местности и проникать в узкие пространства. Мягкотелые роботы открывают новую эру адаптивных машин, применение которых, как предполагается, будет обширным и охватит множество направлений от исследований до спасательных операций и других практических приложений, включая сельское хозяйство.
Сельскохозяйственные задачи и среды варьируются от суровых полевых условий до задач постобработки и переработки пищевых продуктов. От фермы до вилки разработка и применение мягкой робототехники предлагает множество потенциальных применений. Прочные, но гибкие взаимодействия между сельскохозяйственной продукцией и машинами откроют новые возможности и оптимизируют существующие процессы.
Исторически сельское хозяйство было отраслью, которая принимает технологический инновации. Сюда входит механизация после Первой мировой войны, зеленая революция, которая привела к принятию химических пестицидов, удобрений и высокоурожайных сортов, и, совсем недавно, цифровизация.
Цифровизация охватывает принятие робототехники и технологий автоматизации, крупномасштабный сбор данных, интеллектуальное планирование и моделирование.
Здесь робототехника уже демонстрирует значительное влияние посредством сбора данных, сбора урожая и многого другого, однако технологии, развернутые на полях, чаще всего отражают традиционные, жесткие роботизированные системы. Мягкая робототехника, все более зрелая область исследований, имеет потенциал для предоставления новых методологий и технологий для сельскохозяйственной робототехники. Например, мягкие роботы могли бы использовать свою морфологию для преодоления препятствий, чтобы исследовать самые сложные по рельефу сельскохозяйственные территории и собирать данные о плодородии почвы или высвобождать питательные вещества в целевых местах окружающей среды посредством деградации.
Исследователи мягкой робототехники стремятся создавать автономные машины из гибких материалов и электроники, вдохновленные мягкотелыми животными. Проектирование мягких роботов, которые могут передвигаться самостоятельно, было сложной задачей. К счастью, природа уже сделала самую основную работу.
Сюйдун Лян из Харбинского технологического института в Шэньчжэне, Китай, и его коллеги изучили личинок плодовых мушек. У личинок дрозофилы или плодовой мухи есть замечательная стратегия спасения - они откатываются от опасности. Исследование, проведенное учеными из Китая, показало, что личинки сгибают свои тела в «С-образную форму» и катятся вбок, вращаясь вокруг поперечного сечения своего тела.
Вдохновленные этим механизмом, они спроектировали пневматического мягкого робота, который успешно имитировал личиночное поведение катания, даже при наличии неисправных приводов, управляющих движением. Результаты опубликованы в Physical Review Letters.
Изобретение колеса свойственно исключительно человеку, поскольку природа обычно рассматривает катание как неэффективную форму передвижения. В редких случаях некоторые животные прибегают к подобному движению как к последней отчаянной стратегии спасения в ситуациях с высокими ставками, например, при бегстве от хищников или при побеге из опасной среды. Эти вращательные движения пассивны, неточны и не имеют направления, часто полагаясь на внешние силы, такие как ветер, гравитация или направление земли. Например, перепончатые саламандры падают со склонов, фактически теряя контроль, когда они катятся в безопасное место.
Однако некоторые животные эволюционировали, чтобы развить активные стратегии перекатывания, и личинки плодовой мушки Drosophila являются примером. Чтобы избежать опасности, эти червеобразные личинки дрозофиллы сворачиваются в С-образную форму и вращаются, уворачиваясь от угроз.
Ученые полагают, что личинки не зависят от внешних факторов, поскольку сила, возникающая при перекатывании, намного превышает силу тяжести или силу реакции опоры, и личинки могут успешно переворачиваться, даже если их положить вверх ногами.
Таким образом, возникает следующий вопрос: каков именно движущий момент для катания личинки?
Чтобы это узнать, исследователи генетически модифицировали личинок, чтобы они экспрессировали маркер мышечной активности, а затем наблюдали за ними в заполненной водой микрофлюидной камере с помощью микроскопии светового листа. Поскольку личинки катятся в ответ на потенциально опасные стимулы, исследователи нагрели воду в ванне до 40°C, чтобы вызвать поведение катания.
Исследователи провели эксперименты по абляции (разрушение или удаление тканей), в ходе которых лазер использовался для удаления или разрушения определенных участков мышц, чтобы определить, какой из 11 сегментов личинки необходим для непрерывного переворачивания.
Результаты показывают, что катание зависит от скоординированной активации аксиальных мышц в определенном диапазоне углов. Механическая модель, разработанная командой, объясняет, как последовательные сокращения мышц деформируют гидростатический скелет и взаимодействуют с окружающей средой, создавая катание.
Предыдущее исследование предполагало, что личинка генерирует вращение, непрерывно перераспределяя свой вес так, что она всегда «опрокидывается».
Но Лян и его коллеги пришли к выводу, что этот процесс слишком слаб: предварительные измерения движения личинки показали, что этот гравитационный эффект не может обеспечить силу, необходимую для катания личинки. Чтобы исследовать биомеханические механизмы в действии, они отслеживали форму и активность двух различных типов мышц, когда личинка катилась: кольцевые мышцы, которые оборачиваются вокруг тела личинки, и аксиальные мышцы, которые простираются вдоль длинной оси тела.
Визуализируя отдельные мышцы и используя лазерную абляцию для деактивации каждой группы мышц по очереди, они обнаружили, что аксиальные мышцы играют более важную роль в поддержании движения катания.
Эксперименты выявили последовательный процесс, который начинается, когда одна из аксиальных мышц сокращается, чтобы согнуть тело в форме буквы С. Затем эта мышца расслабляется, позволяя телу немного восстановиться после изгиба, в то время как соседняя мышца начинает сокращаться. Поскольку каждая аксиальная мышца последовательно сокращается и расслабляется, личинка может катиться.
Опираясь на эти результаты, исследователи разработали мягкого робота из силиконовой резины и волоконных ограничителей, способного генерировать и поддерживать вращение посредством приведения в действие четырех пневматически управляемых внутренних камер.
Давление в одной камере заставило робота растянуться, но ограничения волокон заставили его согнуться в противоположном направлении. Ученые обнаружили, что давление в четырех камерах одно за другим может заставить робота катиться вперед. Это работало даже с поврежденными приводами.
Опираясь на законы природы, эта работа расширяет границы мягкой робототехники, которая при правильном выполнении способна преобразовать сельскохозяйственные процедуры, исследования, поисково- спасательные операции и задачи здравоохранения в сложных условиях.
Источники: Physical Review Letters, Сьюзан Кертис; Phys.org, Санджукта Мондал.
На фото - мягкий робот, разработанный Ляном и его коллегами, воспроизводит вращательное движение личинок дрозофиллы. Трубки соединяют каждую из четырех внутренних камер робота с пневматической системой, которая регулирует давление. Камеры нагнетаются под давлением последовательно. Источник: Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.198401