Мягкий пневматический робот повторяет самовращение личинок дрозофилы

Мягкотелые роботы открывают новую эру адаптивных машин, которые могут безопасно взаимодействовать с человеческим телом, протискиваться в узкие пространства и самостоятельно передвигаться.

Создание таких автономных мягких роботов было сложной задачей. К счастью, природа уже проделала эту работу.

Личинки дрозофилы (плодовой мушки) обладают замечательной стратегией побега — они укатываются от опасности. Исследователи из Китая обнаружили, что личинки изгибают тело в «С-образную» форму и катятся боком, вращаясь вокруг поперечного сечения своего тела.

Вдохновившись этим механизмом, они разработали пневматического мягкого робота, успешно имитирующего катящееся поведение личинки, даже при наличии неисправных приводов, управляющих движением. Результаты опубликованы в Physical Review Letters.

Изобретение колеса — уникальная черта человека, так как в природе нет идеальных колёс, и качение обычно считается неэффективной формой передвижения.

В редких случаях некоторые животные прибегают к качению как к последнему средству спасения в критических ситуациях, например, при побеге от хищников или из опасной среды. Эти движения пассивны, неточны и не имеют направления, часто полагаясь на внешние силы, такие как ветер, гравитация или рельеф местности. Например, саламандры кувыркаются по склонам, фактически отказываясь от контроля, чтобы скатиться к безопасности.

Однако некоторые животные эволюционно развили активные стратегии качения, и личинки дрозофилы — одни из них. Чтобы спастись от угрозы, эти червеобразные личинки сворачиваются в С-образную форму и вращаются вокруг своей длинной оси, укатываясь прочь.

Учёные полагают, что личинки не зависят от внешних факторов, потому что сила, генерируемая при качении, намного больше силы тяжести или сил реакции опоры, и личинки могут успешно катиться даже в перевёрнутом положении.

Таким образом, возникает вопрос: что именно является движущим моментом для качения личинки?

Чтобы выяснить механизм, исследователи генетически модифицировали личинок для экспрессии маркера мышечной активности, а затем наблюдали за ними в заполненной водой микрофлюидной камере с помощью светлопольной микроскопии. Поскольку личинки катятся в ответ на потенциально вредные стимулы, исследователи нагрели воду в камере до 40°C, чтобы вызвать такое поведение.

Исследователи провели абляционные эксперименты, в которых лазер использовался для удаления или разрушения определённых участков мышц, чтобы определить, какой из 11 сегментов личинки необходим для непрерывного качения.

Результаты показывают, что качение зависит от скоординированной активации осевых мышц в определённом диапазоне углов. Разработанная командой механическая модель объясняет, как последовательные мышечные сокращения деформируют гидростатический скелет и взаимодействуют со средой, создавая вращательное движение.

На основе этих выводов исследователи создали мягкого робота из силиконовой резины и волоконных ограничителей, способного генерировать и поддерживать вращение за счёт активации четырёх пневматически управляемых внутренних камер.

Нагнетание давления в одну камеру заставляло робота растягиваться, но волоконные ограничители вызывали его изгиб в противоположном направлении. Они обнаружили, что последовательное нагнетание давления в четыре камеры может заставить робота катиться вперёд. Это работало даже с повреждёнными приводами.

Основываясь на принципах природы, эта работа расширяет границы мягкой робототехники, которая, при правильном развитии, способна преобразовать поисково-спасательные операции, здравоохранение и исследование сложных сред.