Rijstingenieurs krijgen grip op ‘necrobotic’ s

Rijstingenieurs krijgen grip op ‘necrobotic’ s

image: Daniel Preston, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Rice University, en afgestudeerde student Faye Yap leidden een onderzoek om overleden spinnen in necrobotische grijpers te veranderen.
visie meer

Krediet: Foto door Brandon Martin/Rice University

HOUSTON – (25 juli 2022) – Spinnen zijn geweldig. Ze zijn zelfs nuttig als ze dood zijn.

Mechanische ingenieurs van Rice University laten zien hoe gedode spinnen opnieuw kunnen worden gebruikt als mechanische grijpers die kunnen opgaan in natuurlijke omgevingen terwijl ze objecten oppakken, zoals andere insecten, die zwaarder wegen.

Waarom?

“Het is zo dat de spin, nadat hij is overleden, de perfecte architectuur is voor kleinschalige, afgeleide grijpers”, zegt Daniel Preston van Rice’s George R. Brown School of Engineering.

Een open-access onderzoek in Geavanceerde wetenschap schetst het proces waarbij Preston en hoofdauteur Faye Yap de fysiologie van een spin gebruikten in een eerste stap naar een nieuw onderzoeksgebied dat ze ‘necrobotica’ noemen.

Het laboratorium van Preston is gespecialiseerd in zachte robotsystemen die vaak niet-traditionele materialen gebruiken, in tegenstelling tot harde kunststoffen, metalen en elektronica. “We gebruiken allerlei interessante nieuwe materialen zoals hydrogels en elastomeren die kunnen worden geactiveerd door zaken als chemische reacties, pneumatiek en licht,” zei hij. “We hebben zelfs recent werk over textiel en wearables.

“Dit gebied van zachte robotica is erg leuk omdat we eerder ongebruikte soorten bediening en materialen kunnen gebruiken”, zei Preston. “De spin valt in deze onderzoekslijn. Het is iets dat nog niet eerder is gebruikt, maar veel potentie heeft.”

In tegenstelling tot mensen en andere zoogdieren die hun ledematen bewegen door tegengestelde spieren te synchroniseren, gebruiken spinnen hydraulica. Een kamer in de buurt van hun hoofd trekt samen om bloed naar ledematen te sturen, waardoor ze worden gedwongen zich uit te strekken. Als de druk wegvalt, trekken de benen samen.

De kadavers die Preston’s laboratorium in gebruik nam, waren wolvenspinnen, en testen toonden aan dat ze op betrouwbare wijze in staat waren om meer dan 130% van hun eigen lichaamsgewicht op te tillen, en soms nog veel meer. Ze lieten de grijpers een printplaat manipuleren, objecten verplaatsen en zelfs een andere spin optillen.

De onderzoekers merkten op dat kleinere spinnen zwaardere lasten kunnen dragen in vergelijking met hun grootte. Omgekeerd, hoe groter de spin, hoe kleiner de belasting die hij kan dragen in vergelijking met zijn eigen lichaamsgewicht. Toekomstig onderzoek zal waarschijnlijk inhouden dat dit concept wordt getest met spinnen die kleiner zijn dan de wolvenspin, zei Preston

Yap zei dat het project begon kort nadat Preston in 2019 zijn laboratorium in Rice’s Department of Mechanical Engineering had opgericht.

“We waren spullen aan het verplaatsen in het lab en we zagen een opgerolde spin aan de rand van de gang,” zei ze. “We waren erg benieuwd waarom spinnen zich opkrullen nadat ze dood zijn gegaan.”

Een snelle zoektocht vond het antwoord: “Spinnen hebben geen antagonistische spierparen, zoals biceps en triceps bij mensen,” zei Yap. “Ze hebben alleen buigspieren, waardoor hun benen naar binnen kunnen krullen, en ze strekken ze naar buiten door hydraulische druk. Wanneer ze sterven, verliezen ze het vermogen om hun lichaam actief onder druk te zetten. Daarom krullen ze zich op.

“Destijds dachten we: ‘Oh, dit is super interessant.’ We wilden een manier vinden om dit mechanisme te benutten, “zei ze.

Interne kleppen in de hydraulische kamer van de spinnen, of prosoma, stellen hen in staat om elk been afzonderlijk te besturen, en dat zal ook het onderwerp zijn van toekomstig onderzoek, zei Preston. ‘De dode spin bestuurt deze kleppen niet,’ zei hij. Ze zijn allemaal geopend. Dat werkte in dit onderzoek in ons voordeel, omdat we zo alle benen tegelijk konden besturen.”

Het opzetten van een spingrijper was vrij eenvoudig. Yap tikte met een naald in de prosomakamer en maakte hem vast met een beetje secondelijm. Het andere uiteinde van de naald was verbonden met een van de testopstellingen van het laboratorium of een handspuit, die een minieme hoeveelheid lucht afleverde om de benen vrijwel onmiddellijk te activeren.

Het lab liet een ex-spin door 1000 open-dicht cycli lopen om te zien hoe goed zijn ledematen het hielden, en vond het redelijk robuust. “Het begint wat slijtage te ervaren naarmate we bijna 1000 cycli naderen”, zei Preston. “We denken dat dat te maken heeft met problemen met uitdroging van de gewrichten. We denken dat we dat kunnen overwinnen door polymere coatings aan te brengen.”

Wat verandert het werk van het lab van een coole stunt in een nuttige technologie?

Preston zei dat er een paar necrobotische toepassingen bij hem zijn opgekomen. “Er zijn veel pick-and-place-taken waar we naar kunnen kijken, repetitieve taken zoals het sorteren of verplaatsen van objecten op deze kleine schaal, en misschien zelfs dingen zoals het assembleren van micro-elektronica,” zei hij.

“Een andere toepassing zou kunnen zijn om het in te zetten om kleinere insecten in de natuur te vangen, omdat het van nature gecamoufleerd is”, voegde Yap eraan toe.

“Bovendien zijn de spinnen zelf biologisch afbreekbaar,” zei Preston. “We introduceren dus geen grote afvalstroom, wat een probleem kan zijn met meer traditionele componenten.”

Preston en Yap zijn zich ervan bewust dat de experimenten voor sommige mensen kunnen klinken als nachtmerries, maar ze zeiden dat wat ze doen niet kwalificeert als reanimatie.

“Ondanks dat het lijkt alsof het weer tot leven is gekomen, zijn we er zeker van dat het levenloos is, en we gebruiken het in dit geval strikt als een materiaal dat is afgeleid van een eens levende spin,” zei Preston. “Het levert ons iets heel nuttigs op.”

Co-auteurs van het artikel zijn afgestudeerde studenten Zhen Liu en Trevor Shimokusu en postdoctoraal fellow Anoop Rajappan. Preston is een assistent-professor werktuigbouwkunde.

Rice en een NASA Space Technology Graduate Research Opportunity-prijs ondersteunden het onderzoek.

-30-

Peer-reviewed onderzoek:

“Necrobotica: biotische materialen als gebruiksklare actuatoren” | Geavanceerde wetenschap | DOI: 10.1002/advs.202201174

Te Faye Yap, Zhen Liu, Anoop Rajappan, Trevor J. Shimokusu, Daniel J. Preston

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202201174

Video:

https://youtu.be/1JOS6hMHIUM
Video geproduceerd door Brandon Martin/Rice University

Afbeeldingen om te downloaden:

https://news-network.rice.edu/news/files/2022/07/0718_NECRO-1-WEB.jpg
Een illustratie toont de mechanische procesingenieurs van de rijstuniversiteit die overleden spinnen veranderen in necrobotische grijpers, die items kunnen grijpen wanneer ze worden geactiveerd door hydraulische druk. (Tegoed: Preston Innovation Laboratory/Rice University)

https://news-network.rice.edu/news/files/2022/07/0718_NECRO-3-WEB.jpg
Faye Yap, afgestudeerd aan Rice University, met een dode wolvenspin voor gebruik als necrobotische grijper. (Credit: Brandon Martin/Rice University)

https://news-network.rice.edu/news/files/2022/07/0718_NECRO-4-WEB.jpg
Mechanische ingenieurs van Rice University hebben een manier gevonden om de lichamen van dode spinnen om te zetten in necrobotische grijpers. Hier wordt een grijper gebruikt om een ​​jumper op te tillen en een circuit op een elektronisch breadboard te verbreken, waardoor een LED wordt uitgeschakeld. (Tegoed: Preston Innovation Laboratory/Rice University)

https://news-network.rice.edu/news/files/2022/07/0718_NECRO-5-WEB.jpg
Daniel Preston, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Rice University, en afgestudeerde student Faye Yap leidden een onderzoek om overleden spinnen in necrobotische grijpers te veranderen. (Credit: Brandon Martin/Rice University)

GIF’s om te downloaden:

Geanimeerde GIF’s tonen necrobotische spinnen die verschillende objecten vastgrijpen en optillen, samen met een close-up van één gewricht dat buigt. (Tegoed: Preston Innovation Laboratory/Rice University)
https://news-network.rice.edu/news/files/2022/07/Spider.gif

https://news-network.rice.edu/news/files/2022/07/Circuit.gif

https://news-network.rice.edu/news/files/2022/07/Joint.gif

https://news-network.rice.edu/news/files/2022/07/Untethered.gif

Gerelateerde materialen:

Preston Innovation Laboratory: https://pi.rice.edu

Afdeling Werktuigbouwkunde: https://mech.rice.edu

George R. Brown School of Engineering: https://engineering.rice.edu

Dit persbericht is online te vinden op https://news.rice.edu/news/2022/rice-engineers-get-grip-necrobotic-spiders.

Volg Rice News en Media Relations via Twitter @RiceUNews.

Rice University, gelegen op een 300 hectare grote beboste campus in Houston, wordt door US News & World Report gerangschikt onder de 20 beste universiteiten van het land. Rice heeft zeer gerespecteerde scholen voor architectuur, bedrijfskunde, voortgezette studies, techniek, geesteswetenschappen, muziek, natuurwetenschappen en sociale wetenschappen en is de thuisbasis van het Baker Institute for Public Policy. Met 4.240 niet-gegradueerden en 3.972 afgestudeerde studenten, is de verhouding student-tot-faculteit van Rice iets minder dan 6-tegen-1. Het residentiële collegesysteem bouwt hechte gemeenschappen en levenslange vriendschappen op, slechts één reden waarom Rice op nummer 1 staat. 1 voor veel interactie tussen race en klasse en nr. 1 voor kwaliteit van leven door de Princeton Review. Rijst wordt ook beoordeeld als de beste waarde onder particuliere universiteiten door Kiplinger’s Personal Finance.


Leave a Comment