Dans le but de rendre les robots plus efficaces et polyvalents pour les soldats au combat, Les chercheurs de l'armée ont pour mission de comprendre la valeur de la fonctionnalité moléculaire vivante du muscle, et les mécanismes fondamentaux qui devraient être reproduits afin d'atteindre artificiellement les capacités résultant des protéines responsables de la contraction musculaire.

Bionanomoteurs, comme les myosines qui se déplacent le long des réseaux d'actine, sont responsables de la plupart des méthodes de mouvement dans toutes les formes de vie. Ainsi, le développement de nanomoteurs artificiels pourrait changer la donne dans le domaine de la recherche en robotique.

Des chercheurs du laboratoire de recherche de l'armée du commandement du développement des capacités de combat de l'armée américaine ont cherché à identifier une conception qui permettrait au nanomoteur artificiel de tirer parti du mouvement brownien, la propriété des particules de se déplacer avec agitation simplement parce qu'elles sont chaudes.

Les chercheurs du CCDC ARL pensent que la compréhension et le développement de ces mécanismes fondamentaux sont une étape fondamentale nécessaire pour prendre des décisions éclairées sur la viabilité de nouvelles orientations en robotique impliquant le mélange de la biologie synthétique, robotique, et l'ingénierie de la dynamique et des commandes.

Le Journal de génie biomécanique ont récemment présenté leurs recherches.

"En contrôlant la rigidité des différentes caractéristiques géométriques d'une conception simple à bras de levier, nous avons découvert que nous pouvions utiliser le mouvement brownien pour rendre le nanomoteur plus capable d'atteindre les positions souhaitables pour créer un mouvement linéaire, " a déclaré le doyen Culver, chercheur à la Direction de la technologie des véhicules du CCDC ARL. "Cette fonctionnalité à l'échelle nanométrique se traduit par un actionnement plus efficace sur le plan énergétique à une échelle macro, ce qui signifie des robots qui peuvent faire plus pour le combattant sur une plus longue période de temps. »

Selon Culver, les descriptions des interactions protéiques dans la contraction musculaire sont généralement de niveau assez élevé. Plus précisement, plutôt que de décrire les forces qui agissent sur une protéine individuelle pour rechercher sa contrepartie, des fonctions de vitesse prescrites ou empiriques qui dictent les conditions dans lesquelles un événement de liaison ou de libération se produit ont été utilisées par la communauté des chercheurs pour reproduire ce processus biomécanique.

"Ces modèles de contraction musculaire largement acceptés s'apparentent à une compréhension de la boîte noire d'un moteur de voiture, " Dit Culver. " Plus de gaz, plus de pouvoir. Il pèse autant et prend autant de place. La combustion est impliquée. Mais, vous ne pouvez pas concevoir un moteur de voiture avec ce genre d'informations au niveau de la surface. Vous devez comprendre comment fonctionnent les pistons, et avec quelle précision l'injection doit être réglée. C'est une compréhension au niveau des composants du moteur. Nous plongeons dans la mécanique au niveau des composants du système protéique construit et montrons la valeur de conception et de contrôle de la fonctionnalité vivante ainsi qu'une compréhension plus claire des paramètres de conception qui seraient essentiels pour reproduire synthétiquement une telle fonctionnalité vivante. »

Culver a déclaré que la capacité du mouvement brownien à faire passer une particule captive d'une position élastique désavantageuse à une position avantageuse, en termes de production d'énergie pour un moteur moléculaire, a été illustré par ARL au niveau des composants, une étape cruciale dans la conception de nanomoteurs artificiels qui offrent les mêmes capacités de performance que les biologiques.

"Cette recherche ajoute une pièce clé du puzzle pour des des robots polyvalents pouvant effectuer des fonctions autonomes de manœuvre tactique et de reconnaissance, " a déclaré Culver. " Ces modèles feront partie intégrante de la conception d'actionneurs distribués qui sont silencieux, faible signature thermique et efficace, des caractéristiques qui rendront ces robots plus percutants sur le terrain. »

Culver a noté qu'ils sont silencieux parce que les muscles ne font pas beaucoup de bruit lorsqu'ils s'activent, surtout par rapport aux moteurs ou servos, froid parce que la quantité de chaleur produite dans un muscle est bien inférieure à celle d'un moteur comparable, et efficace en raison des avantages du modèle d'énergie chimique distribuée et de l'échappement potentiel via le mouvement brownien.

Selon Culver, l'étendue des applications des actionneurs inspirés des machines biomoléculaires dans les muscles des animaux est encore inconnue, mais de nombreux espaces d'application existants ont des applications claires de l'armée telles que la robotique bio-inspirée, nanomachines et récupération d'énergie.

« La recherche fondamentale et exploratoire dans ce domaine est donc un investissement judicieux pour nos futures capacités de combattants, " a déclaré Culver.

Avancer, il y a deux extensions principales de cette recherche.

"D'abord, nous devons mieux comprendre comment les molécules, comme la particule captive discutée dans notre article, interagir les uns avec les autres dans des environnements plus complexes, " Dit Culver. " Dans le journal, nous voyons comment une particule captive peut exploiter utilement le mouvement brownien au profit de la contraction du muscle dans son ensemble, mais la particule dans ce premier modèle est dans un environnement idéalisé. Dans nos corps, il est immergé dans un fluide transportant de nombreux ions et molécules énergétiques en solution. C'est la dernière pièce du puzzle du monomoteur, des modèles nanométriques de moteurs moléculaires."

La deuxième extension, a déclaré Culver, est de répéter cette étude avec un modèle 3D complet, ouvrant la voie à une évolution vers des conceptions pratiques.

Il convient également de noter que, parce que cette recherche est si jeune, Les chercheurs de l'ARL ont utilisé ce projet pour établir des relations avec d'autres chercheurs de la communauté universitaire.

« S'appuyer sur leur expertise sera crucial dans les années à venir, et nous avons fait un excellent travail pour atteindre les membres du corps professoral et les chercheurs d'endroits comme l'Université de Washington, Duke University et Carnegie Mellon University, " a déclaré Culver.

Selon Culver, prendre ce projet de recherche dans les prochaines étapes avec l'aide de partenaires de collaboration conduira à d'énormes capacités pour les futurs soldats au combat, une exigence critique compte tenu de la nature du champ de bataille en constante évolution.