大自然为机器人的发展提供了巨大的支持。受蝠鲼的启发,中国科学院沈阳自动化研究所机器人国家重点实验室的一个团队开发了一种仿生游泳机器人,该机器人由培养的骨骼肌组织驱动,并由圆形分布式多电极(CDME)控制。机器人可以仅由一个肌肉组织有效地推进。
仿生学是最重要的机器人研究方法之一,它可以通过模仿自然生物的结构和行为来提高机器人的运动性能。以天然生物材料为核心的生物融合机器人是仿生学的进一步发展。
一些活细胞被用来实现机器人的一些功能,包括传感、控制和驱动。然而,需要创新的推进和控制方法来进一步发展生物融合机器人的可控运动性能。为了解决这个问题,研究人员提出了一种基于CDME的动态控制方法。这项研究发表在《机器人与仿生系统》杂志上。
研究小组发现,与传统电极相比,CDME产生的电场对培养基和细胞的伤害更小。使用该方法,可以动态控制电极产生的电场的方向,使其实时与机器人的驱动组织平行,从而确保机器人的稳定控制。
首先,该团队基于蝠鲼的结构设计了机器人骨架,并使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为结构的主要材料。同时,为了便于驱动组织和机器人结构的组装,研究人员选择成肌细胞制成的环形组织作为机器人的驱动单元。
此外,为了获得具有有效收缩性的环状肌肉组织,使用来自CDME的旋转电刺激来实现成肌细胞分化为肌管的均匀诱导。为了允许机器人以期望的速度游泳,在与游泳者结构组装之前测量肌肉组织的收缩性。研究小组还使用仿真方法分析了机器人的运动性能与驱动组织收缩力之间的关系。
最后,为了证明所提出的生物融合机器人的稳定和可控运动,研究人员使用所提出的动态电刺激方法实现了机器人在不同速度下的可控游泳。在实验中,机器人展示了有效的游泳和稳定的可控性,这验证了研究团队提出的仿生设计和基于CDME的控制方法的有效性。
本研究提出的仿生设计和驱动控制方法不仅促进了生物融合机器人的进一步发展,而且对软机器人、肌肉组织工程等相关领域的仿生研究具有一定的指导意义。
然而,尽管目前的生物融合机器人已经实现了有效的受控运动,但仍有许多关键瓶颈需要克服。例如,大多数机器人的尺寸为厘米,这对于体内药物递送等应用是困难的。
面向微纳米生物结构的3D打印和灵活操作等技术是开发用于临床应用和其他特殊环境的生物融合微机器人的关键。此外,大多数现有的生物融合机器人依靠外部人工刺激来实现受控运动,这可能缺乏自主性。因此,基于活细胞的传感和控制方法可以应用于生物融合机器人的研究,以实现基于环境信息的机器人自主运动。