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每日頭條!體外骨骼肌驅動,“魔鬼魚”實現可控游動

發布時間:2022-10-02 20:39:56 來源:科普時報 責任編輯:caobo

(圖片由中國科學院沈陽自動化研究所提供)

科普時報記者 李 禾

大自然的動物為機器人的發展提供了想象力的空間。近日,中國科學院沈陽自動化研究所類生命機器人研究團隊,以蝠鲼為設計靈感,研發了一種體外培養的骨骼肌組織驅動、環形分布多電極(CDME)控制的類生命游動機器人。這種機器人僅由一塊肌肉組織驅動就可實現有效推進。


(資料圖片僅供參考)

在浩瀚無邊的海洋里,被稱為“魔鬼魚”的蝠鲼幾乎能毫不費力地在水中滑翔,甚至在湍急水流中敏捷地來回游動。

仿生學是機器人研究的重要方法之一,通過模仿自然生物的結構和行為來提高機器人的運動學性能。而類生命機器人以天然生物材料為機器人核心要素,是仿生學的進一步發展。一些活體細胞已經被用于實現機器人的部分功能,包括感知、控制、驅動等,其中驅動作為決定其性能的關鍵因素,關系到機器人的整體性能,然而要進一步發展類生命機器人的可控運動性能,還需要創新推進方式和控制方法。針對以上難題,研究團隊提出了一種基于CDME的動態控制方法。

研究團隊發現,CDME產生的電場對培養基和細胞的傷害要比傳統平行板電極要小,并且使用該方法可動態控制所產生的電場方向,使其與機器人的驅動組織保持實時平行,進而保證機器人穩定的可控性。

根據蝠鲼的結構,研究團隊設計了機器人的本體骨架,并選用聚二甲基硅氧烷作為結構的主要材料。研究團隊將驅動組織和機器人骨架結構進行裝配,選擇了以成肌細胞為核心所制造的環形組織作為機器人的驅動部分。

為獲得具有有效收縮力的環形肌肉組織,研究團隊利用CDME的旋轉電刺激,實現成肌細胞向可收縮肌管的均勻誘導分化。研究團隊分析了機器人的運動性能與驅動組織收縮力之間的關系,在裝配機器人之前測量了在不同電刺激下肌肉組織的收縮力,用來控制機器人按照理想的速度游動。

在實驗中,機器人展示了有效的游動和穩定的可控性,驗證了研究團隊提出的仿生設計和基于CDME控制方法的有效性。

這項研究論文指出,仿生設計與驅動控制方法不但可以促進類生命機器人的進一步發展,而且對軟體機器人的仿生設計、肌肉組織工程等相關領域也有一定的潛在指導意義。不過現階段的類生命機器人雖然已實現了有效的可控運動,但仍有許多關鍵的瓶頸需要突破。例如,所制造的機器人尺寸大多為厘米級,難以應用于體內藥物運輸等場景,因此面向微納生物結構的3D打印、柔性操作等技術是開發應用于臨床等特殊環境的類生命微型機器人的關鍵。此外,現有的類生命機器人大多依靠外部人工刺激實現可控運動,缺乏自主性,因此基于活體細胞的感知與控制方法,可應用于類生命機器人研究,進而實現基于環境信息感知的機器人自主運動。

該項研究成果近日在國際科技期刊《類生命系統》上發表。

標簽: 控制方法 肌肉組織 自動化研究所

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