Ученые разрабатывают искусственные приводы, вдохновляясь движущимися тканями растений

Исследователи черпают идеи из растительных тканей, способных к движению, для создания искусственных приводов. Эти биоинспирированные приводы обладают большим потенциалом для применения в мягкой робототехнике, протезировании и умных биомедицинских устройствах.

Команда из Китайской академии наук опубликовала обзорную статью в журнале Nano Research, сосредоточившись на том, как растения регулируют скорость своего движения и как это можно применить к искусственным приводам.

Эти искусственные приводы, реагирующие на влажность, растворители, тепло, свет и электричество, преобразуют энергию окружающей среды в изменение формы. Ученые обращаются к растениям за вдохновением из-за разнообразия их двигательных стратегий.

За миллиарды лет эволюции многие органы растений выработали механизмы изменения формы. Растения используют эти изменения для питания, рассеивания семян, их закапывания в почву или даже для снятия стресса. «Черпая вдохновение в природе, можно разработать искусственные приводы с широким диапазоном скоростей движения — от сверхбыстрых до сверхмедленных. Это открывает новые возможности для создания передовой робототехники и устройств», — сказал Фэйлун Чжан, исследователь из Технического института физики и химии Китайской академии наук.

Примеры движения в природе:

• Венерина мухоловка захлопывает ловушку, когда ее чувствительные волоски касаются дважды.
• Росянка закручивает листья вокруг добычи.
• Mimosa pudica складывает листья, чтобы избежать капель дождя.
• Даже мертвые растительные ткани могут менять форму: чешуйки сосновой шишки, ости пшеницы, стручки семян, коробочки семян ледяного растения и щетинки семян одуванчика.

В живых растениях изменение формы и движение связаны с ионными каналами. Однако мертвые растительные ткани демонстрируют гигроскопические движения, то есть связанные с изменением влажности. Благодаря своей уникальной структуре и составу, эти ткани служат для ученых естественными моделями для искусственных приводов.

Растения способны очень точно контролировать свои движения. Например, сосновые шишки открываются очень медленно, чтобы гарантировать, что это произойдет только в условиях длительной засухи, что позволяет ветру и животным рассеивать семена вдали от родительского дерева.

В то время как обычные исследования в основном фокусировались на механизмах движения, команда в своей статье уделила внимание стратегиям регуляции скорости. Они обобщили природные стратегии для проектирования биомиметических приводов, способных имитировать невероятную скорость (от сверхбыстрой до сверхмедленной) и универсальность биологических систем.

Перспективы и вызовы

Команда также рассматривает несколько моделей, заимствованных у растений, для биоинспирированных приводов с разными требованиями к скорости, исследует проблемы и возможности в этой области и обсуждает потенциальные стратегии регулирования скорости.

Нынешние биоинспирированные приводы с экстремальными скоростями все еще сильно отстают от природных аналогов. «Поэтому остается много проблем и возможностей в изучении механизмов движения растительных тканей с экстремальными скоростями и разработке биомиметических искусственных приводов для расширения областей применения», — отметил Чжан.

Новые биотехнологии, такие как инструмент редактирования генома CRISPR-Cas9, могут позволить комбинировать генетику и биомеханику для изучения двигательных механизмов растений на всех масштабах — от целого растения до клеточного и молекулярного уровня. «Кроме того, с развитием новых реагирующих материалов и производственных технологий, таких как многокомпонентная 3D-печать, можно будет проектировать и создавать более сложные и функциональные приводы для конкретных практических применений, черпая вдохновение у видов растений», — добавил Чжан.

В перспективе команда планирует продолжить изучение принципов проектирования биомиметических приводов и улучшать их производительность. «Наша конечная цель — разработать приводы, которые смогут воспроизводить сложность и эффективность биологических систем», — заключил Чжан.