Forscher der Universität Bristol haben ein physikalisches Modell aus einfachen Elektromotoren gebaut, um die Koordination von Muskeln zu untersuchen. Ihren in der Royal Society Interface veröffentlichten Arbeiten zufolge könnte diese Koordination von selbst aus der Konfiguration des Systems entstehen, ohne programmiert werden zu müssen, und die Robotik inspirieren.
- Forscher der Universität Bristol bauen ein Muskelmodell aus einfachen Elektromotoren.
- Die Koordination entsteht aus der Konfiguration des Systems, ohne programmiert zu werden.
- Dieses Prinzip könnte Roboter mit einfacheren Aktuatoren ermöglichen.
- Die Forscher hoffen auf Maschinen, deren Körper ihre Bewegungen mitgestaltet.
Die Muskeln wandeln chemische Energie in Bewegung um und erzeugen eine gleichmäßige Kraft, obwohl sie aus einer sehr großen Anzahl kleiner molekularer Bausteine bestehen. Wenn sich die Last ändert, passen sie sich an, ohne zu schwanken oder nachzugeben.
Im Zentrum des Muskels befindet sich das Sarkomer, die Grundeinheit der Krafterzeugung, gebildet aus Aktinfilamenten und molekularen Motoren namens Myosin. Diese Motoren greifen, ziehen und lösen die Aktinkabel wiederholt, was die Kontraktion der Muskelfasern ermöglicht.
Anstatt die Chemie der Myosine nachzubilden, stellten die Forscher sie durch einen « Rotor » dar, der nur dann beiträgt, wenn er mechanisch mit einer physischen « Wirbelsäule » verbunden ist. Ihr Tischgerät vereint eine Reihe kleiner Elektromotoren, die durch eine gemeinsame mechanische Struktur verbunden sind und gegen ein dickes Fluid ziehen, einen Widerstand, der dem der biologischen Motoren vergleichbar ist.
Die Motoren bleiben nicht dauerhaft verbunden: Jeder drückt kurz auf die bewegliche Struktur und lässt sie dann los. So überträgt diese Struktur die Wirkung eines Motors auf den nächsten, ohne direkte Kommunikation zwischen ihnen.
Eine Koordination ohne Dirigent
In diesem vereinfachten System treten spontan mehrere Verhaltensweisen auf, die denen des Muskels ähneln. Wenn der Widerstand zunimmt, entwickeln die Motoren kollektiv eine Beziehung zwischen Last und Geschwindigkeit, und mehr Einheiten beteiligen sich an der Anstrengung. Unter bestimmten Bedingungen wird die Bewegung ruckartig, mit Zugphasen, die durch plötzliches Gleiten unterbrochen werden. Das System kann auch Koordinationswellen bilden, die sich entlang der Vorrichtung ausbreiten.
Die Forscher vergleichen diese Organisation mit der von Flagellen und Zilien, mikroskopischen Fortsätzen bestimmter eukaryotischer Zellen wie dem Schwanz der Spermien. Auch hier sind molekulare Motoren entlang einer Struktur, dem Axonem, verteilt, die ihre Aktivität in Biegewellen umwandelt. Bei Spermien sind diese Wellen für Mobilität und Fruchtbarkeit entscheidend, während Zilien Flüssigkeiten in den Atemwegen zirkulieren lassen, mit Verbindungen zu Gesundheit und Krankheit.
Ansätze für die Robotik
In der Robotik ist es nach wie vor schwierig und kostspielig, viele Aktuatoren, also die « Muskeln » eines Roboters, die eine Energiequelle wie Elektrizität in Bewegung umwandeln, zusammenarbeiten zu lassen. Sensoren, Rückkopplungsschleifen und Steueralgorithmen sind oft erforderlich, was das Ganze anfällig und fehleranfällig machen kann.
Den Autoren zufolge lässt ein Modell, bei dem die Koordination aus der Konfiguration entsteht, einfachere Aktuatoren erwarten. Dieser Ansatz entspricht der Forschung an weichen Robotern, die flexible Materialien verwenden, und an künstlichen Muskeln für die Robotik. Die Forscher schätzen, dass dieses Prinzip genutzt werden könnte, hin zu Maschinen, deren Körper zur Gestaltung ihrer Bewegungen beiträgt.
