科技日報記者 李禾
在浩瀚無邊的海洋世界里，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，蝠鲼幾乎能毫不費力地在水中滑翔，甚至在湍急水流中也能敏捷地來回游動。
大自然為機器人的發(fā)展提供了巨大支持。近日，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所類生命機器人研究團隊以蝠鲼為設(shè)計靈感，研發(fā)了一種由體外培養(yǎng)的骨骼肌組織驅(qū)動、環(huán)形分布多電極（CDME）控制的類生命游動機器人，這個機器人僅由一塊肌肉組織驅(qū)動就可實現(xiàn)有效推進。
仿生學(xué)是重要的機器人研究方法之一，通過模仿自然生物的結(jié)構(gòu)和行為來提高機器人的運動學(xué)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(xué)的進一步發(fā)展。例如，一些活體細胞已經(jīng)被用于實現(xiàn)機器人的部分功能，包括感知、控制、驅(qū)動等，其中驅(qū)動作為決定其性能的關(guān)鍵因素，關(guān)系到機器人的整體性能。然而要進一步發(fā)展類生命機器人的可控運動性能，還需要創(chuàng)新推進方式和控制方法。針對以上難題，研究人員提出了一種基于CDME的動態(tài)控制方法。該項研究以論文《基于動態(tài)電刺激的“仿蝠鲼類生命機器人”》（A Manta Ray-Inspired 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。
研究團隊發(fā)現(xiàn)，CDME產(chǎn)生的電場對培養(yǎng)基和細胞的傷害要比傳統(tǒng)平行板電極要小，并且使用該方法可動態(tài)控制所產(chǎn)生的電場方向，使其與機器人的驅(qū)動組織保持實時平行，進而保證機器人的穩(wěn)定可控性。
在材料與結(jié)構(gòu)方面，研究團隊根據(jù)蝠鲼的結(jié)構(gòu)設(shè)計了機器人的本體骨架，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)動組織和機器人骨架結(jié)構(gòu)進行裝配，研究人員選擇了以成肌細胞為核心所制造的環(huán)形組織作為機器人的驅(qū)動部分。
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)電刺激實現(xiàn)成肌細胞向可收縮肌管的均勻誘導(dǎo)分化。此外，為控制機器人以理想速度游動，他們還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。
在驗證機器人的穩(wěn)定可控性方面，為控制類生命機器人以理想的速度游動，研究團隊利用仿真方法分析了機器人的運動性能與驅(qū)動組織收縮力之間的關(guān)系。
為了展示所提出的類生命機器人的穩(wěn)定可控運動，研究人員采用所提出的動態(tài)電刺激方法實現(xiàn)了機器人以不同速度進行可控游動。
在實驗中，機器人展示了有效的游動和穩(wěn)定的可控性，驗證了研究團隊提出的仿生設(shè)計和基于CDME控制方法的有效性。
論文指出，該項研究所提出的仿生設(shè)計與驅(qū)動控制方法不但可以促進類生命機器人的進一步發(fā)展，而且對軟體機器人的仿生設(shè)計、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，現(xiàn)階段的類生命機器人雖然已實現(xiàn)了有效的可控運動，但仍有許多關(guān)鍵的瓶頸需要被突破。例如，所制造的機器人尺寸大多為厘米級，難以應(yīng)用于體內(nèi)藥物運輸?shù)葓鼍啊Ｒ虼耍嫦蛭⒓{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)境的類生命微型機器人的關(guān)鍵。此外，現(xiàn)有的類生命機器人大多依靠外部人工刺激實現(xiàn)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(yīng)用于類生命機器人研究，進而實現(xiàn)基于環(huán)境信息感知的機器人自主運動。
據(jù)悉，《類生命系統(tǒng)》是北京理工大學(xué)與美國科學(xué)促進會（AAAS）/Science 共同打造的高水平國際英文科技期刊，入選“中國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊”項目。
該論文作者張闖是中科院沈陽自動化研究所副研究員，一直專注于機電系統(tǒng)與生命系統(tǒng)交叉融合研究。主持NSFC青年科學(xué)基金項目、中國博士后科學(xué)基金面上項目、中科院基礎(chǔ)培育基金項目、中科院特別研究助理資助項目、遼寧省博士啟動基金等；獲得中科院院長特別獎，研究成果入選中國智能制造十大科技進展、中國機器人行業(yè)年會“科學(xué)引領(lǐng)獎”等。
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