Pek çok robotik tasarım, doğadan esinlenmiştir. Özel tasarım malzemelerle doğadan esinlenilen özellikler ve yaşayan varlıkların davranışları kopyalanır. MIT’den ve Pensilvanya Üniversitesi’nden bilim adamları, yalnızca esinlenmenin ötesine geçmiş, bazı doğal içerikleri kullanmışlar. Grup, genetik olarak kas hücresinin mühendislik tasarımını yaparak ışığa duyarlı şekilde esnemesini sağlamış ve ışığa duyarlı dokularla çok eklemli robot yapmış. Yaklaşım, Lab on a Chip dergisinde yayınlanacak.
MIT’nın Makine Mühendisliği Bölümünden Profesör Harry Asada, tasarımın doğa ve makinalar arasındaki sınırı belirsiz hale getirdiğini söylüyor. Makalenin eş yazarı olan Asada “Biyolojik olarak esinlenilmiş tasarımlarla biyoloji bir metafor ve robotik de bir araç” diyor.
Araştırmacılar, robotik tasarımda hangi dokunun kullanılması gerektiğini araştırdıktan sonra daha güçlü olduğu için iskelet kaslarına karar vermişler. Ancak kardiyo gibi kaslar farklı olarak bu kaslar, esnemek ya da kasılmak için dış uyarılara ihtiyaç duyuyorlar.
Normal olarak nöronlar, kaslara gerekli sinyali yani elektrik dürtüleri taşıyor. Laboratuar ortamında araştırmacılar, kas fiberlerini uyarmak üzere küçük akımlı elektrot kullanmışlar. Asada’nın dediğine göre bu teknik etkin olsa da çok yaygın uygulanabilir değil; elektrotlar, güç kaynakları ile birlikte küçük bir robot çıkmazına sürükleyebilir. Dolayısıyla, bunun yerine, Asada ve ekibi daha yeni bir alana, 2005’te MIT’den Ed Boyden ve Stanford Universitesi’nden Karl Deisseroth tarafından bulunan ve genetik olarak modifiye edilerek kısa lazer vuruşlarına tepki veren nöron çalışmasına, yani optogenetige bakmışlar. 2005’teki bu buluştan sonra, araştırmacılar zaten kardiyo hücreleri ani kıpırdamak üzere uyarmak için bu tekniği kullanıyorlardı.
Asada ve MIT postdoc Mahmut Selman Sakar’ın, Biyoloji ve Makina Mühendisliği Profesörü Roger Kamm ile işbirliği yaptığı bu çalışmada, aynısı iskelet kası hücreleri üzerinde denenmiş. Kültürlenen hücreler ya da miyoblastlar genetik olarak modifiye edilerek ışıkla aktifleşen protein eklemişler. Miyoblastlar uzun kas hücreleriyle birleştirildikten sonra üzerine 20 msn’lik mavi ışık puls gönderilmiş. Genetik olarak değiştirilen fiberlerin uzaysal belirli tepkiler verdiğini görmüşler. Örneğin tek bir fibere ışık verildiğinde o fiber kasılırken, daha fazla sayıda fibere ışık verildiğinde hepsi kasılmış.
Bu çalışmayla iskelet kası üzerinde ışıkla ilk defa kasılma sağlanmış oluyor. Bu da kablosuz kas kontrolunda yeni bir yöntem demek. Bir adım ötesine geçildiğinde ise, Asada 3 boyutlu kas hücresi elde etmek üzere kas fiberlerini hidrogel bileşiği ile genişletmiş ve yine ışıkla tetiklemiş. Sonuç, 3 boyutlu kas fiberinin de benzer şekilde ışığın geldiği açıya göre eğilip, bükülmesi.
Araştırmacılar, bu tasarlanmış dokunun mukavemetini Penn’den Cristopher Chen tarafından tasarlanmış içinde iki esnek direğin oldupu hazneler barındıran küçük bir mikromekanik chiple test etmişler. Kas parçaları her bir direğe bağlanmış ve ışık verilmiş. Kasılma gerçekleştiğinde, direği içeri çektiği görülmüş. Her bir direğin rijiditesi bilindiğinden, kas kuvvetini direkleri eğilme açısından hesaplayabilmişler
Enteresan olanı, bu test aletinin tasarlanmış doku üzerinde bir egzersiz ortamı sağlaması olmuş. Kas, insan kası gibi çalışmadığı sürece güç kaybetmiş.
Işığa duyarlı kas dokusu, geniş bir yelpazede hareketler yapabiliyor, bu da hareket kabiliyeti yüksek ve esnek robotlar demek. Potansiyel robotik cihazlardan biri endeskopik robotlar olabilir. Zira bu tip ışığa duyarlı robotlar çok küçük olabiliyor ve çevik şekilde damar düzeni gibi dar alanlarda hareket edebiliyor.
Asada’nın söylediği “ 1 mm’den daha küçük bir alanda 10 derecelik serbestlikte çalışabiliyoruz ve bu tipte bir işi yapabilecek bir aktüatör henüz yok”.
Makalenin diğer yazarları MIT’den Devin Neal, Yinqing Li ve Ron Weiss; Penn’den Thomas Boudou ve Michael Borochin.
Adaptasyon: http://web.mit.edu/newsoffice/2012/mechanical-engineers-create-light-activated-skeletal-muscle-0830.html