Resumo:
Uma equipe de pesquisa do Instituto de Automação de Shenyang, da Academia Chinesa de Ciências, desenvolveu recentemente uma "raia manta robótica" em miniatura, sem fio e controlada por luz, cujas nadadeiras de propulsão são acionadas por músculos esqueléticos reais retirados das pernas de sapos-touro. Esta pesquisa utiliza tecido biológico diretamente como atuador, o que é uma exploração de ponta no campo dos robôs biossincréticos. Os resultados relevantes foram publicados em "Advanced Functional Materials".
A equipe de pesquisa extraiu o músculo grácil da perna de uma rã-touro comum como atuador. Sob condições otimizadas de estimulação elétrica (1 Hz, 5 V, 10 ms por pulso), o músculo pode produzir uma força de contração estável de aproximadamente 6,5 N com uma amplitude de contração de aproximadamente 25%; sob estimulação mais forte, as forças de pico podem atingir 9,4 N. O tecido permaneceu eletricamente responsivo por 11 dias e foi capaz de conduzir o robô de forma confiável por aproximadamente sete dias.
Diferentemente dos protocolos anteriores que utilizavam cultura laboratorial ou tecido muscular reconstruído, este estudo utilizou diretamente músculo esquelético intacto isolado naturalmente. Os pesquisadores apontaram que as fibras musculares naturais têm uma estrutura de arranjo altamente ordenada, de modo que o desempenho da contração é significativamente melhor do que o dos feixes musculares reconstruídos em cultura de células. No entanto, a força de saída insuficiente sempre foi um gargalo importante que limita a velocidade e a mobilidade dos robôs existentes movidos por músculos esqueléticos.
Para se livrar das restrições dos sistemas tradicionais de estimulação elétrica com fio, a equipe integrou módulos fotovoltaicos de arseneto de microgálio (GaAs) na parte traseira da arraia manta robótica e a irradiou com um laser infravermelho próximo de 808 nanômetros. A unidade fotovoltaica converte sinais de luz em sinais elétricos e os transmite aos nervos na superfície dos músculos para desencadear contrações; as áreas fotovoltaicas nos lados esquerdo e direito podem ser abordadas de forma independente, e a contração diferenciada dos músculos de ambos os lados é obtida controlando o tempo e a posição da luz, completando assim os controles sem cabo, como avanço, rotação, curvas circulares e em forma de U.
Em termos de desempenho de movimento, a velocidade média em linha reta da arraia robô é de 0,54 comprimentos de corpo por segundo (cerca de 2,7 cm/s) e pode atingir até 2 comprimentos de corpo por segundo em um curto período de tempo. A equipe de pesquisa disse que esta é a maior velocidade relativa de avanço de um robô biohíbrido movido por músculos esqueléticos relatada até agora. Seu raio de giro mínimo é de apenas um oitavo do comprimento do corpo, sua velocidade angular máxima atinge 21 graus por segundo e leva cerca de 17 segundos para completar um círculo completo. Além de navegar na superfície e nadar debaixo d'água com carga (até 5 gramas), o robô pode até se mover em curvas lentas em superfícies rígidas.
Os pesquisadores afirmaram que esta é a primeira vez que o músculo esquelético natural isolado foi acoplado a um sistema de estimulação nervosa fotoelétrica sem fio, verificando a viabilidade do tecido muscular natural como um atuador biológico de alto desempenho. Esta rota técnica não se limita à configuração da arraia manta: espera-se que os atuadores musculares naturais se adaptem a outras estruturas robóticas, e o esquema de controle sem fio "óptico-elétrico" fornece uma maneira de controlar atuadores biológicos sem a necessidade de fios externos permanentes.
No nível da aplicação, a equipe acredita que este tipo de robô pequeno com propulsão por barbatana é adequado para monitoramento de ambientes de águas rasas e observação da vida aquática com baixa perturbação, e pode evitar a interferência causada por hélices de robôs subaquáticos tradicionais e mecanismos rígidos. Além disso, a estrutura de estimulação elétrica desenvolvida para manter a contração eficaz de músculos isolados também pode fornecer referência experimental para pesquisas de reabilitação muscular in vitro e sistemas dinâmicos de cultura de engenharia de tecidos após lesão nervosa.
A principal limitação atual é a vida útil do tecido biológico e a dependência de energia externa: os músculos integrados podem funcionar de forma confiável por cerca de 7 dias e a resposta elétrica pode durar até 11 dias; a estimulação sem fio ainda requer fonte de alimentação contínua e controle por uma fonte externa de luz infravermelha próxima. Na próxima etapa, a equipe planeja otimizar estratégias de cultura in vitro para prolongar a vida útil dos músculos, desenvolver eletrodos de filme flexível semelhantes a neuro para obter uma distribuição mais uniforme do sinal elétrico e tentar combinar sistemas fotovoltaicos com armazenamento de energia a bordo para que o robô possa armazenar a energia luminosa coletada e chamá-la quando necessário, em vez de depender inteiramente da iluminação em tempo real.
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