자기 학습 수영 바이오하이브리드 로봇: 적응형 소프트 로보틱스 발전

로봇 공학자들은 자연 생물체가 달성한 것(이동, 환경 적응, 감지 등)을 모방하는 것을 목표로 합니다. 기존의 딱딱한 로봇을 넘어, 최근 소프트 로보틱스 분야가 등장했습니다. 이는 딱딱한 것보다 환경에 더 효율적으로 적응할 수 있는 순응성 있고 유연한 소재를 사용합니다. 이 목표로 과학자들은 바이오하이브리드 로봇 또는 바이오봇 분야에서 일해 왔습니다. 이들은 일반적으로 심장 또는 골격 근육 조직과 기어다니기, 잡기, 수영을 달성할 수 있는 인공 스캐폴드로 구성됩니다. 불행히도 현재 바이오봇은 이동성과 강도 측면에서 자연 개체의 성능을 모방하지 못합니다.

연구자들은 바이오엔지니어링 도구를 사용하여 두 과제를 모두 극복했습니다. 3D 바이오프린팅과 엔지니어링 설계를 적용하여 물고기처럼 헤엄치고 활공할 수 있는 센티미터 크기의 바이오봇을 개발했으며, 전례 없는 속도를 달성했습니다. 핵심은 매우 순응적인 스캐폴드와 근육 세포 기반 물질의 자발적 수축을 이용하는 것입니다.

딱딱하거나 고정된 스캐폴드로 인공 로봇을 준비하는 대신, 연구자들은 PDMS라는 폴리머로 만든 유연한 서펜타인 스프링 기반의 생물학적 로봇을 사용했습니다. 이는 시뮬레이션을 통해 설계 및 최적화된 후 3D 프린팅 기술로 출력되었습니다. 이 혁신적인 스캐폴드의 장점은 자발적 수축에 따른 기계적 자기 자극으로 조직의 향상된 훈련과 발달이 가능하다는 점입니다. 이는 스프링의 복원력으로 인해 피드백 루프가 생성됩니다. 이러한 자기 훈련 이벤트는 향상된 작동과 더 큰 수축 힘으로 이어집니다. 이러한 서펜타인 스프링은 이전에 소프트 로봇 생명 시스템에 포함된 적이 없습니다. 자기 훈련 능력 외에도 골격근 세포 기반 바이오하이브리드 수영체는 현재 골격근 기반 바이오봇보다 791배 빠른 속도로 이동했으며, 심근 세포 기반 바이오수영체와 비교 가능한 성능을 보였습니다.

새로운 바이오봇은 다른 움직임도 수행할 수 있었습니다. 바닥 표면 근처에 놓이면 활공할 수 있었는데, 산발적인 폭발적 움직임과 활공 단계가 특징인 특정 어류의 수영 스타일을 닮았습니다.

이 연구는 약물 전달과 바이오닉 보철 개발에도 응용될 수 있습니다.