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Des recherches théoriques bioinspirées par l'armée pourraient rendre les robots plus efficaces sur le futur champ de bataille

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Les chercheurs de l’Armée de terre ont pour mission de comprendre la valeur de la fonctionnalité «vivante» moléculaire du muscle, ainsi que les mécanismes fondamentaux qu’il faudrait reproduire afin d’obtenir artificiellement les capacités découlant des protéines responsables de la contraction musculaire. Crédit: US Army-Shutterstock

Dans le but de rendre les robots plus efficaces et plus polyvalents pour les soldats au combat, les chercheurs de l’Armée de terre ont pour mission de comprendre la valeur de la fonctionnalité de vie moléculaire du muscle et les mécanismes fondamentaux qu’il faudrait reproduire pour obtenir artificiellement la les capacités provenant des protéines responsables de la contraction musculaire.

Les bionanomoteurs, comme les myosines qui se déplacent le long de 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 militaire 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 bouger simplement parce qu’elles sont chaudes.

Les chercheurs du LDC du CCDC estiment que la compréhension et le développement de ces mécanismes fondamentaux constituent une étape fondamentale pour prendre des décisions éclairées sur la viabilité de nouvelles orientations de la robotique impliquant la fusion de la biologie synthétique, de la robotique et de la dynamique et de la commande.

Le journal de génie biomécanique récemment présenté leur recherche.

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

Selon Culver, les descriptions des interactions entre protéines lors de la contraction musculaire sont généralement assez élevées. Plus spécifiquement, 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 de recherche pour reproduire ce processus biomécanique.

"Ceux-ci sont largement acceptés contraction musculaire les modèles ressemblent à une compréhension de la boîte noire d'un moteur de voiture ", a déclaré Culver." Plus d'essence, plus de puissance. Cela pèse autant et prend beaucoup de place. La combustion est impliquée. Mais, vous ne pouvez pas concevoir un moteur de voiture avec ce type d'informations au niveau de la surface. Vous devez comprendre le fonctionnement des pistons et la précision du réglage de l'injection. C'est une compréhension du moteur au niveau des composants. Nous explorons les mécanismes du système de protéines construit au niveau des composants et montrons la valeur de conception et de contrôle de la fonctionnalité vivante, ainsi qu'une compréhension plus claire des paramètres de conception indispensables à la reproduction synthétique de cette fonctionnalité vivante. "

Culver a déclaré que la capacité du mouvement brownien à pousser une particule captive d'une position élastique défavorable à une position avantageuse, en termes de production d'énergie pour une moteur moléculaire, a été illustré par ARL au niveau des composants, une étape cruciale dans la conception de nanomoteurs artificiels offrant les mêmes performances que les biologiques.

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

Culver a noté qu'ils sont silencieux car les muscles ne font pas beaucoup de bruit lorsqu'ils agissent, en particulier par rapport aux moteurs ou aux servos, froids parce que la quantité de chaleur produite par un muscle est bien inférieure à celle d'un moteur comparable, et efficace en raison de les avantages du modèle d'énergie chimique répartie et son potentiel d'évasion via le mouvement brownien.

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

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

À l'avenir, il y a deux extensions principales de cette recherche.

"Premièrement, nous devons mieux comprendre comment des molécules, comme la particule captive évoquée dans notre article, interagissent les unes avec les autres dans des environnements plus complexes", a déclaré Culver. "Dans l'article, nous voyons comment une particule captive peut exploiter utilement le mouvement brownien pour améliorer la contraction du muscle dans son ensemble, mais la particule de ce premier modèle se trouve dans un environnement idéalisé. Dans notre corps, elle est immergée dans un fluide des ions et des molécules énergétiques en solution. C’est la dernière pièce du puzzle des modèles monomoteurs à l’échelle nanométrique des moteurs moléculaires. "

La deuxième extension, a déclaré Culver, consiste à répéter cette étude avec un modèle 3D complet, ouvrant ainsi la voie à une adaptation à des conceptions pratiques.

Il convient également de noter que, en raison de la jeunesse de cette recherche, les chercheurs de l'ARL ont utilisé ce projet pour établir des relations avec d'autres chercheurs du monde 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 tels que l'Université de Washington, la Duke University et la Carnegie Mellon University", a déclaré Culver.

Selon Culver, l’inclusion de ce projet de recherche dans les prochaines étapes avec l’aide de partenaires collaboratifs offrira d’énormes capacités aux futurs soldats au combat, une nécessité cruciale compte tenu de la nature du champ de bataille en constante évolution.


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Plus d'information:
Dean Culver et al, Un problème d'évasion dynamique des moteurs moléculaires, Journal de génie biomécanique (2019). DOI: 10.1115 / 1.4044580

Fourni par
Le laboratoire de recherche de l'armée

Citation:
                                                 Des recherches théoriques bioinspirées par l'armée pourraient rendre les robots plus efficaces sur le futur champ de bataille (9 octobre 2019)
                                                 récupéré le 9 octobre 2019
                                                 sur https://techxplore.com/news/2019-10-army-bio-inspired-theoretical-robots-effective.html

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