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为未来战场创造更有效的机器人 美国陆军研究人工纳米马达

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为了使机器人在战斗中更有效、更多才多艺地成为士兵的“战友”,美国陆军研究人员正在执行一项任务,即研究肌肉分子生命功能的价值,以及复制过程所需要的基础力学,以便人工获取肌肉收缩蛋白质的能力。


仿生纳米马达,就像沿着肌动蛋白网络运动的肌球蛋白一样,负责所有生命形式中的大多数运动方式。因此,在机器人研究领域,人造纳米马达的发展可能会改变游戏规则。


美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室(CCDC ARL)的研究人员正在寻找一种设计,这种设计可以让人造纳米马达利用“布朗运动”的优势。布朗运动是指粒子因自身温度(热量)而不停地运动。


CCDC ARL研究人员认为,要想明智地决定具有可行性的机器人学发展新方向,理解和发展这些基本力学,是一个必要的基础步骤。这些新方向涉及合成生物学、机器人学、动力学和控制工程的融合。

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生物力学工程杂志(The Journal of Biomechanical Engineering)最近刊登了他们的研究。


“在一个简单的杠杆臂设计中,通过控制不同几何特征的刚度,我们发现可以利用布朗运动,使纳米马达能够更好地到达理想位置从而产生线性运动,”CCDC ARL车辆技术董事会的研究员迪恩·卡尔弗说。“这一纳米级的特性意味着在宏观尺度上会有更具能效的驱动,也就意味着机器人可以在更长的时间内为作战人员做更多的工作。”


根据卡尔弗的说法,对肌肉收缩中蛋白质的相互作用的描述通常是相当高层级的。更具体地说,与其描述单个蛋白质寻找其配对物的力,不如描述研究团队在重现这种收缩-释放的生物学过程中所一直使用的规定条件和经验分布函数。


“这些被广泛接受的肌肉收缩模型类似于对汽车发动机的黑匣子理解,”卡尔弗说,“更多的汽油,就有更多的动力。多么大的重量,多么大的空间。过程中还涉及燃烧。但是,你不能用这种表面信息来设计汽车引擎。你需要了解活塞是如何工作的,以及喷射需要做出多么精细的调整。这是对发动机的部件级理解。我们深入研究了构建蛋白质系统的组件级机制,并展示了生命功能的设计和控制价值,以及对设计参数更清晰透彻的理解将是综合再现生命功能的关键。”

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卡尔弗说,就分子马达的能量产生而言,布朗运动将囚禁粒子从不利的弹性位置踢到有利位置的能力,已由ARL在组件级别上加以解释,这是设计具有与之相同性能的生物级人造纳米马达的关键步骤。


卡尔弗说:“这项研究为创建能够执行自主化战术机动和侦察功能的快速、多用途机器人的拼图上增加了关键一块。”“这些模型将成为分布式驱动器设计中不可或缺的一部分,这些驱动器将是安静、低热和高效的——这些特征将使这些机器人在现场更具影响力。”


卡尔弗指出,它们之所以安静,是因为肌肉在启动时不会发出很多噪音,特别是与马达或伺服系统相比,因为肌肉中产生的热量远小于相比较的马达,而且由于分布式化学能模型的优点以及通过布朗运动的势阱逃逸,它们的效率也很高。


据卡尔弗介绍,这种启发于动物肌肉中生物分子马达的应用范围还不清楚,但现有的许多应用空间中都有明确的军事应用,如仿生机器人、纳米机器和能量收集。

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“因此,这方面的基础性和探索性研究是对我们未来作战能力的明智投资。”卡尔弗说。


展望未来,本研究有两个主要扩展。


“首先,我们需要更好地理解分子,就像我们论文中讨论的囚禁粒子,在更复杂的环境中是如何相互作用的。”卡尔弗说,“在这篇论文中,我们看到了囚禁粒子如何有效地利用布朗运动来促进肌肉的整体收缩,但是第一个模型中的粒子处于理想化的环境中。在我们的身体里,它被淹没在携带着许多不同的离子和含能分子液体中。这是单马达、纳米级分子马达模型的最后一块拼图。”


“第二个扩展,”卡尔弗说,“是用一个完整的三维模型重复这项研究,为扩展到实际设计铺平了道路。”

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另外值得注意的事实是,由于这项研究非常“年轻”,ARL的研究人员利用这个项目与学术界的其他研究人员建立关系。“在未来几年里,依靠他们的专业知识将是至关重要的,我们在与来自华盛顿大学、杜克大学和卡内基梅隆大学等地的教职员工和研究人员接触方面做了大量工作。”卡尔弗如是说。


卡尔弗认为,在合作伙伴的帮助下,将这一研究项目带入下一步,将为未来的士兵带来强大的作战能力,考虑到千变万化的战场性质,这是至关重要的。


Reference: “A Dynamic Escape Problem of Molecular Motors” by Dean Culver, Bryan Glaz and Samuel Stanton, 1 August 2019, Journal of Biomechanical Engineering.

DOI: 10.1115/1.4044580


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——end——


作者:U.S. ARMY RESEARCH LABORATORY

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参考链接:https://scitechdaily.com/army-research-into-artificial-muscle-nanomotors-for-more-effective-robots-on-the-future-battlefield/

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