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自己学習型水泳バイオハイブリッドロボット:適応型ソフトロボティクスを前進

ロボティクス研究者は、自然の生物学的実体が達成してきた動作、環境への適応、センシングを模倣することを目指しています。従来の剛体ロボットを超えて、近年ソフトロボティクスの分野が台頭し、環境により効率的に適応できる柔軟な材料を使用しています。この目標で、科学者たちはバイオハイブリッドロボット(バイオボット)の分野で研究を進めてきました。これらは一般的に心筋または骨格筋組織と人工足場で構成され、這う、掴む、泳ぐ動作を実現できます。残念ながら、現在のバイオボットは移動性と強度の面で自然実体の性能を模倣できていません。

研究者たちはバイオエンジニアリングツールを用いて両課題を克服しました。3Dバイオプリンティングとエンジニアリング設計を適用し、センチメートルスケールのバイオボットを開発。魚のように泳ぎ、滑走し、前例のない速度を達成しました。鍵は、非常に柔軟な骨格と筋細胞ベース材料の自発的収縮の利用です。

硬いまたは拘束された足場で人工ロボットを作る代わりに、研究者たちはPDMSと呼ばれるポリマーで作られた柔軟なサーペンタインスプリングに基づく生物学的ロボットを使用しました。これはシミュレーションで設計・最適化され、3Dプリンティング技術で出力されました。この革新的な足場の利点は、自発的収縮時のスプリング復元力による機械的自己刺激を通じて、組織のトレーニングと発達が改善され、フィードバックループが生まれることです。この自己トレーニングイベントにより、作動性能と収縮力が向上します。このようなサーペンタインスプリングがソフトロボティクス生体システムに組み込まれたのは初めてです。自己訓練能力に加え、骨格筋細胞ベースのバイオハイブリッドスイマーは、現在の骨格筋ベースバイオボットの791倍の速度で移動し、心筋細胞ベースのバイオスイマーと同等の性能を示しました。

新しいバイオボットは他の動作も実行できました。底面近くに置かると滑走し、特定の魚に見られる断続的なバーストと滑走フェーズを特徴とする遊泳スタイルを模倣しました。

この研究は薬物送達とバイオニック義肢の開発への応用もあります。

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