運動依賴于肌肉，像肌動蛋白沿肌動蛋白網(wǎng)絡(luò)運動的生物運動，就是負(fù)責(zé)所有生命形式中的大多數(shù)運動方法。因此，美國人研究認(rèn)為，在機器人研究領(lǐng)域，人造納米電動機的發(fā)展可能會改變游戲規(guī)則。
美國陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部的陸軍研究實驗室的研究人員一直在尋找一種設(shè)計，該設(shè)計可以使人造納米電動機利用布朗運動，而粒子的特性只是因為它們是會產(chǎn)生熱量的，所以會激動地運動。為了使機器人在戰(zhàn)斗中成為更有效和多功能的隊友，陸軍研究人員的任務(wù)是理解肌肉分子生命功能的價值，以及為了人為地實現(xiàn)目標(biāo)而必須復(fù)制到機器人上的基本機制，例如研發(fā)原本由肌肉收縮負(fù)責(zé)的的蛋白質(zhì)產(chǎn)生的能力。
CCDC ARL研究人員認(rèn)為，了解和開發(fā)這些基本力學(xué)是朝著明智的方向做出決策的必要基礎(chǔ)步驟，該決策涉及機器人的新方向的可行性，其中涉及合成生物學(xué)，機器人技術(shù)以及動力學(xué)和控制工程的融合。
《生物力學(xué)工程雜志》最近發(fā)表了他們的研究成果。
CCDC ARL研究人員Dean Culver說：“通過控制簡單杠桿臂設(shè)計的不同幾何特征的剛度，我們發(fā)現(xiàn)可以利用布朗運動使納米電機更能夠達(dá)到產(chǎn)生線性運動的理想位置。”Dean Culver稱。“這種納米尺度的功能可以在宏觀尺度上實現(xiàn)更節(jié)能的致動，這意味著機器人可以在更長的時間內(nèi)為戰(zhàn)斗人員做更多的事情。”
根據(jù)Culver的說法，通常在肌肉收縮中對蛋白質(zhì)相互作用的描述相當(dāng)高。更具體的說，研究團體沒有使用描述作用于單個蛋白質(zhì)以尋求其對應(yīng)物的作用力，而是規(guī)定了發(fā)生結(jié)合或釋放事件的條件規(guī)定或經(jīng)驗速率函數(shù)，來復(fù)制這種生物力學(xué)過程。
Culve說這些被廣泛接受的肌肉收縮模型類似于對汽車發(fā)動機的黑匣子理解。“在汽車發(fā)動機中，更多的天然氣，往往意味著更多的動力，它的重量如此之大，并占用了如此多的空間，因此碰觸就可以燃燒。但是，你無法為機器人設(shè)計出具有這種表面水平信息的汽車發(fā)動機。我們需要了解活塞的工作原理，以及需要如何精細(xì)調(diào)整注射，這是對引擎的組件級理解。我們深入研究了構(gòu)建的蛋白質(zhì)系統(tǒng)的組件級機制，并展示了生命功能的設(shè)計和控制價值以及更清晰的理解設(shè)計參數(shù)，這些參數(shù)對于綜合再現(xiàn)這種實時功能至關(guān)重要。”
Culver指出，就分子馬達(dá)的能量產(chǎn)生而言，ARL已在組件級別說明了布朗運動將束縛粒子從不利的彈性位置移動到有利位置的能力，這是ARL設(shè)計中的關(guān)鍵步驟，這一創(chuàng)造性成果使得人造納米馬達(dá)具有與生物納米馬達(dá)相同的性能。
軍事機器人往往為機器的噪音所困擾，Culver說：“這項研究為快速，多功能的機器人添加了一個關(guān)鍵的謎題，這些機器人可以執(zhí)行自主戰(zhàn)術(shù)機動和偵察功能。” “這些模型將成為靜音，低熱信號和高效的分布式執(zhí)行器設(shè)計的組成部分，這些功能將使這些機器人在現(xiàn)場更具影響力。”Culver指出，它們之所以能保持安靜，是因為肌肉在致動時不會發(fā)出很多噪音，尤其是與電動機或伺服器相比，肌肉在致動時會相對較冷，因為肌肉中產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于同類電動機，并且由于分布式化學(xué)能模型的優(yōu)勢以及通過布朗運動潛在逸出。
根據(jù)Culver的說法，受動物肌肉中生物分子機器啟發(fā)的執(zhí)行器的廣泛應(yīng)用仍是未知的，但是許多現(xiàn)有的應(yīng)用領(lǐng)域在陸軍中都有明確的應(yīng)用，例如生物啟發(fā)的機器人技術(shù)，庫卡機器人，納米機器和能量收集。Culver說：“因此，在這一領(lǐng)域進(jìn)行基礎(chǔ)和探索性研究是對我們未來作戰(zhàn)人員能力的明智投資。”
展望未來，這項研究有兩個主要擴展。
Culver說：“首先，機器人維修，我們需要更好地了解分子，如本文中討論的束縛粒子如何在更復(fù)雜的環(huán)境中彼此相互作用。” “在《生物力學(xué)工程雜志》論文中，我們看到了束縛的粒子如何有效地利用布朗運動來有益于整體肌肉的收縮，但是第一個模型中的粒子處于理想化的環(huán)境中。在人體內(nèi)，它浸沒在攜帶許多不同分子的液體中離子和溶液中含有能量的分子，這是分子電動機的單電動機，納米級模型的最后難題。”
Culver說，第二個擴展是使用完整的3D模型重復(fù)這項研究，為按比例擴大到實際設(shè)計鋪平了道路。
同樣值得注意的是，由于這項研究還很年輕，ARL研究人員使用該項目與學(xué)術(shù)界的其他研究者建立了聯(lián)系。Culver說：“依靠他們的專業(yè)知識在未來幾年將至關(guān)重要，我們在與華盛頓大學(xué)，www.twshmhelmet.com，杜克大學(xué)和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)等地的教職員工和研究人員取得聯(lián)系方面做得很出色。”
卡爾弗認(rèn)為，在合作伙伴的幫助下將此研究項目進(jìn)一步發(fā)展，將為未來的士兵提供巨大的作戰(zhàn)能力，這是考慮到不斷變化的戰(zhàn)場性質(zhì)的一項關(guān)鍵要求。