Блог компании ua-hosting.company. Создатели робототехники, будь то ученые или же писатели-фантасты, часто вдохновляются представителями фауны, в том числе и человеком. В результате появляются человекоподобные андроиды, роботизированные рыбы, птицы и даже насекомые. Однако мало кто обращает внимание на не менее богатое и разнообразное царство, на растения.

Эти удивительные организмы адаптировались к произрастанию в самых разных условиях, от дождливых тропиков до засушливых пустынь, от океанических глубин до горных склонов, от непроходимых лесов до горшочков на подоконнике. Вполне логично, что инженерам-робототехникам есть чем вдохновится.

И вот ученые из Миннесотского университета (США) разработали новый тип гибкого робота, который имитирует рост корней растения. Из чего состоит робот, чем он похож на корни, и на что способен? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Между растениями, грибами и водорослями есть нечто общее, а именно метод взаимодействия с окружающей средой, называемый кончиковым ростом*.

Кончиковый рост (рост через кончик)* — форма поляризованного роста живых клеток, которая приводит к морфологии удлиненной цилиндрической клетки с закругленным кончиком, на котором происходит ростовая активность.

Изображение №1

Примерами такого роста являются корни растений, пыльцевые трубки и даже гифы грибов. Простыми словами говоря, этот рост обусловлен удлинением с конца объекта (допустим, корня), а не от его основания. В ходе кончикового роста происходит анизотропное добавление нового материала на растущий конец тела, при этом только кончик движется относительно окружающей среды (1А).

Этот локальный рост значительно снижает сопротивление окружающей среды и позволяет быстро реагировать на ее переменчивые условия. Следовательно, организмы, реализующие кончиковый рост, способны со временем создавать большие и сложные структуры, перемещаться по ограниченным средам (например, в почве) и ориентироваться в соответствии с внешними раздражителями (свет, химические градиенты или механический импеданс).

Учитывая, что природа является одним из самых богатых источников вдохновения для ученых и инженеров, многие материалы и системы в той или иной степени создавались с оглядкой на то, как это делается в природе. Кончиковый рост не стал изгоем в научном сообществе, а потому были попытки имплементировать подобный механизм роста в роботизированные системы.

В одном из предыдущих исследований ученые уже пытались имитировать рост корней с помощью выворачивания под давлением тонкой полимерной пленки или процесса аддитивного производства на основе нити. Проблема в том, что эти методы полагаются на непрерывную подачу строительного материала в твердом состоянии, что приводит к быстрому увеличению внутреннего трения во время роста на извилистых путях и, как следствие, к ограничению конечного расширения. А потому концепция кончикового роста в полной мере пока не была реализована с инженерной точки зрения.

Ученые отмечают, что механизмы роста кончиков в грибных гифах, корнях и пыльцевых трубках характеризуются несколькими основными принципами (1А и 1В).

Первый принцип заключается в том, что основной движущей силой роста является давление жидкости. Считается, что это давление возникает из-за внутреннего тургорного давления* внутри клеток, которое создается осмотическим потенциалом между заполненной жидкостью клеткой и окружающей ее средой. Поскольку внутреннее давление деформирует растяжимые клеточные стенки, их избирательная деформация на кончике способствует росту.

Тургор тканей* — напряженное состояние оболочек живых клеток.

Тургорное давление* — внутреннее давление, которое развивается в растительной клетке, когда в нее в результате осмоса входит вода, а цитоплазма прижимается к клеточной стенке. Это давление препятствует дальнейшему проникновению воды в клетку.

Второй принцип заключается в том, что рост происходит за счет локализованного синтеза клеточной стенки. Компоненты клеточной стенки, а именно полисахариды, такие как хитин в грибах, целлюлоза в водорослях и растениях и гликопротеины, полимеризуются на кончике для локального построения твердой структуры.

Третий принцип представляет собой транспорт материала с помощью жидкости, при котором компоненты клеточной стенки транспортируются к кончику как потоковыми, так и активными средствами (такими как везикулярный транспорт через цитоскелет).

Комбинация этих трех принципов позволяет организмам генерировать большие силы и удлиняться на кончике с минимальным трением с окружающей средой.

Следовательно, дабы создать искусственный эквивалент кончикового роста, необходимо попытаться воссоздать эти три принципа. В частности, фотополимеризация предлагает уникальный подход к локальному наращиванию твердой структуры, которая играет центральную роль в росте кончика. Фотополимеризация позволяет создавать трехмерные полимерные объекты из жидкой смолы с пространственным и временным контролем над механическими и химическими свойствами полученных объектов.

Для синтетического кончикового роста фотополимеризация обеспечивает локальную и быструю полимеризацию структуры, в то время как поток под давлением используется для подачи жидкого раствора мономера к месту фотополимеризации на кончике, тем самым стимулируя рост (1C).

Результаты исследования