Canlı kaslarla çalışan yüzücü robot geliştirildi. Hassas ortamların yeni keşif aracı olabilir

Suda hareket etmek, havada hareket etmeye göre daha fazla kuvvet gerektiriyor. Ancak MIT mühendislerinin geliştirdiği yeni robot, uygun bir tasarımla tek katmanlı kas hücrelerinin bile yüzmek için yeterli güç üretebildiğini gösterdi.

Advanced Functional Materials dergisinde yayımlanan çalışmada tanıtılan ‘aquabot’, yaklaşık bir çubuk sakızın uzunluğunda ve genişliğinde bir jel tabakadan oluşuyor. Robotun iskeletini oluşturan bu tabakanın iki yarısı, yüzgeç görevi görüyor.

Her yüzgecin üzerinde, bir saç telinden çok daha ince bir canlı kas hücresi katmanı bulunuyor. Genetik olarak değiştirilen bu hücreler, ışığa maruz kaldıklarında kasılıyor.

Araştırmacılar yüzgeçlerden birine ışık tuttuğunda, o yüzeydeki kasların kasılması yüzgecin çırpılmasını sağlıyor. Bu hareket de robotu suyun içinde ilerletiyor.

Işığın hangi yüzgece, hangi aralıklarla verildiği değiştirilerek robotun yönü ve hızı kontrol edilebiliyor. Mühendisler, robotun basit bir su labirentinde ilerleyip dönüş yapabildiğini gösterdi.

Robot en yüksek hızında, bir dakikada kendi vücut uzunluğunun yaklaşık dört katı kadar mesafe katetti. Bu hız, dakikada yaklaşık 65 vücut uzunluğu mesafeye ulaşabilen olimpik yüzücülere göre oldukça düşük.

Ancak araştırmacılar, robotun vücut uzunluğuna göre hesaplanan hızının bazı daha yavaş yüzen köpekbalıklarıyla karşılaştırılabileceğini belirtiyor. Çalışmanın yazarlarından MIT Makine Mühendisliği Bölümü öğretim üyesi Ritu Raman, suda ilerlemenin havada hareket etmeye göre çok daha fazla kuvvet gerektirdiğini vurgulayarak robotun boyutuna göre oldukça güçlü olduğunu söyledi.

Araştırma ekibine göre çalışma, çok ince ve iki boyutlu bir yapıya sahip, kaslarla çalışan bir robotun yer değiştirebildiği ilk örneği sunuyor. Canlı dokularla yapay malzemeleri bir araya getiren bu tür sistemler, biyohibrit robot olarak adlandırılıyor.

Araştırmacı Ritu Raman, kendi gruplarının ve diğer araştırma ekiplerinin geliştirdiği mevcut biyohibrit robotların genellikle laboratuvarda yetiştirilen, üretimi milyonlarca hücre gerektiren hacimli, üç boyutlu iskelet kası parçalarına dayandığını belirtti. Yeni tasarım gibi daha ince yapıların ise daha düşük maliyetle üretilebileceği ve daha verimli hareket edebileceği düşünülüyor.

Araştırmacılara göre canlı kas dokusunun yumuşak olması, çevresine tepki verebilmesi ve kendini onarma kapasitesi, gelecekte hassas görevler için avantaj sağlayabilir. Bu robotlar, geleneksel donanımların çalışmakta zorlanabileceği kırılgan veya öngörülemez ortamlarda kullanılabilir.

Raman’ın ekibi, geçen yıl insan gözündeki irisin hareketlerinden esinlenen yapay bir kas dokusu diski geliştirmişti. Araştırmacılar, jel yüzeyine iç içe halkalar ve merkezden dışarıya uzanan oluklar yerleştirmiş, ardından bu yüzeyde canlı kas hücreleri yetiştirmişti.

Hücreler ışıkla uyarıldığında disk, göz bebeğinin büyüyüp küçülmesine benzer şekilde geriliyor ve sıkışıyordu. Bu çalışma, ince bir kas hücresi katmanının farklı yönlerde kontrollü hareketler üretebildiğini göstermişti.

Ancak hareketlerin büyüklüğü yaklaşık 100 mikrometreyle sınırlıydı. Yeni araştırmada ekip, bu hareketleri güçlendirerek bir robotu suda ilerletebilecek düzeye taşımayı hedefledi.

Bunun için hücrelerin üzerinde büyüdüğü jel iskeletin yapısına odaklandı. Önceki tasarımda kullanılan çok yumuşak fibrin jelin, kasların oluşturduğu kuvvet nedeniyle hızla büzüşebildiği görüldü.

Araştırmacılar bunun üzerine jelin bileşimini, sertliğini ve yüzeyindeki olukların boyutlarıyla şeklini değiştirdi. Farklı tasarımlar karşılaştırıldığında, hücrelerin tabanı daha köşeli oluklarda daha düzenli hizalandığı belirlendi.

Bu hizalanma, hücrelerin birleşerek daha güçlü ve birlikte hareket edebilen kas lifleri oluşturmasını kolaylaştırdı. Ekip, fibrin yerine doku mühendisliğinde kullanılan jelatin metakrilat, yani GelMA adlı malzemeyi denedi.

Daha sert jel yüzeylerinde yetişen hücrelerin daha iyi hizalandığı ve daha fazla kuvvet ürettiği görüldü. Araştırmacılar ayrıca kasları güçlendirmek için hücrelere ışık darbeleriyle bir tür “egzersiz” yaptırdı.

İKİ YÜZGEÇ AYRI AYRI KONTROL EDİLİYOR Son tasarımda, üzerinde kas hücreleri bulunan iki yüzgeç oluşturuldu. Hücreler zamanla birleşerek güçlü ve düzenli kas dokusuna dönüştü.

Raman, robotun birbirinden bağımsız iki kası varmış gibi düşünülebileceğini söyledi. Tek yüzgece ışık tutulduğunda yalnızca o yüzgeç hareket ediyor; ikisine birden ışık verildiğinde ise iki yüzgeç birlikte çırpılıyor.

Deney sırasında robot, su dolu büyük bir petri kabına yerleştirildi. Araştırmacılar ışık kaynağını elle hareket ettirerek robotu kabın içindeki labirentte yönlendirdi.

Mevcut robotun gövde tasarımı oldukça basit. Ekip, ilk aşamada kas hücrelerinin yüzmek için yeterli kuvvet üretip üretemeyeceğini göstermeyi amaçladı.

Bir sonraki hedef, gövde tasarımını geliştirerek yüzme hızını artırmak. Raman’a göre düşük hızlarda bile bu tür robotların gelecekte su ortamlarında çevresel izleme amacıyla kullanılması düşünülebilir.

İlk yazarı Maheera Bawa olan çalışmaya Arielle Berman, Laura Schwendeman, Ferdows Afghah ve Seanbiron Johnson da katkıda bulundu. Araştırma, ABD Deniz Araştırmaları Ofisi tarafından desteklendi..

Aynı zamanda analitik çerezler de kullanıyoruz..