中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)“仿蝠鲼類生命機(jī)器人”

中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)“仿蝠鲼類生命機(jī)器人”

科技日?qǐng)?bào)記者 李禾

在浩瀚無(wú)邊的海洋世界里，有一種魚擁有巨大的“羽翼”，像自帶光環(huán)的禮服俠，它就是蝠鲼，也被稱為“魔鬼魚”。作為自然界最高效的游泳者之一，蝠鲼幾乎能毫不費(fèi)力地在水中滑翔，甚至在湍急水流中也能敏捷地來(lái)回游動(dòng)。

大自然為機(jī)器人的發(fā)展提供了巨大支持。近日，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所類生命機(jī)器人研究團(tuán)隊(duì)以蝠鲼為設(shè)計(jì)靈感，研發(fā)了一種由體外培養(yǎng)的骨骼肌組織驅(qū)動(dòng)、環(huán)形分布多電極（CDME）控制的類生命游動(dòng)機(jī)器人，這個(gè)機(jī)器人僅由一塊肌肉組織驅(qū)動(dòng)就可實(shí)現(xiàn)有效推進(jìn)。

仿蝠鲼類生命機(jī)器人示意圖

仿生學(xué)是重要的機(jī)器人研究方法之一，通過(guò)模仿自然生物的結(jié)構(gòu)和行為來(lái)提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能。而類生命機(jī)器人以天然生物材料為機(jī)器人核心要素，是仿生學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。例如，一些活體細(xì)胞已經(jīng)被用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的部分功能，包括感知、控制、驅(qū)動(dòng)等，其中驅(qū)動(dòng)作為決定其性能的關(guān)鍵因素，關(guān)系到機(jī)器人的整體性能。然而要進(jìn)一步發(fā)展類生命機(jī)器人的可控運(yùn)動(dòng)性能，還需要?jiǎng)?chuàng)新推進(jìn)方式和控制方法。針對(duì)以上難題，研究人員提出了一種基于CDME的動(dòng)態(tài)控制方法。該項(xiàng)研究以論文《基于動(dòng)態(tài)電刺激的“仿蝠鲼類生命機(jī)器人”》（A Manta RayInspired Biosyncretic?Robot?with?Stable?Controllability?by?Dynamic?Electric?Stimulation）發(fā)表在期刊《類生命系統(tǒng)》（Cyborg and Bionic Systems）上。

論文具體信息

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，CDME產(chǎn)生的電場(chǎng)對(duì)培養(yǎng)基和細(xì)胞的傷害要比傳統(tǒng)平行板電極要小，并且使用該方法可動(dòng)態(tài)控制所產(chǎn)生的電場(chǎng)方向，使其與機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)組織保持實(shí)時(shí)平行，進(jìn)而保證機(jī)器人的穩(wěn)定可控性。

在材料與結(jié)構(gòu)方面，研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)蝠鲼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了機(jī)器人的本體骨架，并選用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為結(jié)構(gòu)的主要材料。為了方便將驅(qū)動(dòng)組織和機(jī)器人骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配，研究人員選擇了以成肌細(xì)胞為核心所制造的環(huán)形組織作為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)部分。

三維肌肉驅(qū)動(dòng)組織制作方法示意圖

為獲得具有有效收縮力的環(huán)形肌肉組織，研究人員利用CDME的旋轉(zhuǎn)電刺激實(shí)現(xiàn)成肌細(xì)胞向可收縮肌管的均勻誘導(dǎo)分化。此外，為控制機(jī)器人以理想速度游動(dòng)，他們還在裝配機(jī)器人之前測(cè)量了在不同電刺激下肌肉組織的收縮力。

肌肉組織測(cè)量示意圖。(a)肌肉組織驅(qū)動(dòng)的PDMS測(cè)量結(jié)構(gòu)示意圖；(b) PDMS結(jié)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)力作用下的形變模擬圖。

在驗(yàn)證機(jī)器人的穩(wěn)定可控性方面，為控制類生命機(jī)器人以理想的速度游動(dòng)，研究團(tuán)隊(duì)利用仿真方法分析了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能與驅(qū)動(dòng)組織收縮力之間的關(guān)系。

類生命機(jī)器人游動(dòng)仿真。(a)類生命機(jī)器人模型；(b) 機(jī)器人游動(dòng)仿真圖；(c) 不同刺激電壓下機(jī)器人游動(dòng)仿真結(jié)果；(d) 不同刺激頻率下機(jī)器人游動(dòng)仿真結(jié)果。

為了展示所提出的類生命機(jī)器人的穩(wěn)定可控運(yùn)動(dòng)，研究人員采用所提出的動(dòng)態(tài)電刺激方法實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人以不同速度進(jìn)行可控游動(dòng)。

基于CDME的類生命機(jī)器人動(dòng)態(tài)控制方法示意圖

類生命機(jī)器人游動(dòng)速度與電刺激幅值和頻率的關(guān)系

在實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人展示了有效的游動(dòng)和穩(wěn)定的可控性，驗(yàn)證了研究團(tuán)隊(duì)提出的仿生設(shè)計(jì)和基于CDME控制方法的有效性。

論文指出，該項(xiàng)研究所提出的仿生設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)控制方法不但可以促進(jìn)類生命機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展，而且對(duì)軟體機(jī)器人的仿生設(shè)計(jì)、肌肉組織工程等相關(guān)領(lǐng)域也有一定的潛在指導(dǎo)意義。

不過(guò)，現(xiàn)階段的類生命機(jī)器人雖然已實(shí)現(xiàn)了有效的可控運(yùn)動(dòng)，但仍有許多關(guān)鍵的瓶頸需要被突破。例如，所制造的機(jī)器人尺寸大多為厘米級(jí)，難以應(yīng)用于體內(nèi)藥物運(yùn)輸?shù)葓?chǎng)景。因此，面向微納生物結(jié)構(gòu)的3D打印、柔性操作等技術(shù)是開發(fā)應(yīng)用于臨床等特殊環(huán)境的類生命微型機(jī)器人的關(guān)鍵。此外，現(xiàn)有的類生命機(jī)器人大多依靠外部人工刺激實(shí)現(xiàn)可控運(yùn)動(dòng)，缺乏自主性。因此，基于活體細(xì)胞的感知與控制方法可應(yīng)用于類生命機(jī)器人研究，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于環(huán)境信息感知的機(jī)器人自主運(yùn)動(dòng)。

據(jù)悉，《類生命系統(tǒng)》是北京理工大學(xué)與美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）/Science 共同打造的高水平國(guó)際英文科技期刊，入選“中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃高起點(diǎn)新刊”項(xiàng)目。

該論文作者張闖是中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所副研究員，一直專注于機(jī)電系統(tǒng)與生命系統(tǒng)交叉融合研究。主持NSFC青年科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中科院基礎(chǔ)培育基金項(xiàng)目、中科院特別研究助理資助項(xiàng)目、遼寧省博士啟動(dòng)基金等；獲得中科院院長(zhǎng)特別獎(jiǎng)，研究成果入選中國(guó)智能制造十大科技進(jìn)展、中國(guó)機(jī)器人行業(yè)年會(huì)“科學(xué)引領(lǐng)獎(jiǎng)”等。

（文中圖片均由《類生命系統(tǒng)》期刊編輯部提供）