運(yùn)動依賴于肌肉，像肌動蛋白沿肌動蛋白網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動的生物運(yùn)動，就是負(fù)責(zé)所有生命形式中的大多數(shù)運(yùn)動方法。因此，美國人研究認(rèn)為，在機(jī)器人研究領(lǐng)域，人造納米電動機(jī)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(jī)利用布朗運(yùn)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(yùn)動。為了使機(jī)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(jī)器人上的基本機(jī)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(jī)器人的新方向的可行性，其中涉及合成生物學(xué)，機(jī)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(yùn)動使納米電機(jī)更能夠達(dá)到產(chǎn)生線性運(yùn)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(jī)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(tuán)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(jī)的黑匣子理解。“在汽車發(fā)動機(jī)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(jī)器人設(shè)計出具有這種表面水平信息的汽車發(fā)動機(jī)。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(jī)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(yùn)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(jī)器人往往為機(jī)器的噪音所困擾，Culver說：“這項研究為快速，多功能的機(jī)器人添加了一個關(guān)鍵的謎題，這些機(jī)器人可以執(zhí)行自主戰(zhàn)術(shù)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)，并且由于分布式化學(xué)能模型的優(yōu)勢以及通過布朗運(yùn)動潛在逸出。
根據(jù)Culver的說法，受動物肌肉中生物分子機(jī)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(jī)器人技術(shù)，庫卡機(jī)器人，納米機(jī)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(kuò)展。
Culver說：“首先，機(jī)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(yùn)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(jī)的單電動機(jī)，納米級模型的最后難題。”
Culver說，第二個擴(kuò)展是使用完整的3D模型重復(fù)這項研究，為按比例擴(kuò)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。