美研製出首個人造肌肉動力行走機器人

  北京時間7月7日消息,據外媒報道,新一代的微型生物機器人開始擁有肌肉了。美國伊利諾伊大學的工程師們近日展示了一款“行走型”的“生物機器人”,其由肌肉細胞提供能量,並利用電脈衝實現操控,這將讓研究人員對它們的功能具有前所未有的控制力。研究組在本月出版的《美國國家科學院院報》上報告了他們的此項進展。

  伊利諾伊大學生物工程學教授拉希德·巴沙爾(Rashid Bashir)是此項研究的主管,他表示:“由細胞實現的生物驅動是任何生物機械體研發過程中必須具備的一項技術。”

  他說:“我們正嘗試將這些工程學原則與生物學相結合,並將其應用於生物機械與系統的設計與開發工作當中,從而造福環境與醫藥應用領域。生物學無比強大,如果我們能將其潛能部分應用於有用的方面,那將會帶來很多益處。”

  巴沙爾的小組在設計與開發生物機器人方面處於領先地位,他們開發的微型機器人體長僅有不到一厘米,且由可伸縮3-D打印的水凝膠與活體細胞組成。

  此前這一研究組還展示了機器人自行行走的場面,其動能由取自老鼠心臟搏動的心臟細胞提供。然而,心臟細胞會時不時發生收縮,從而讓研究人員難以操控機器人的運動。這就讓開發人員很難利用心臟細胞構建可以自由開啟或關閉,加速或減速的生物機械體。

  而這款新的生物機器人採用了身體肌肉細胞,並使用電脈衝實現控制。這就讓研究人員有了一種簡單的途徑來實現操控目的,並開啟了未來其他設計的可能性,因此工程師們可以藉此優化生物機械體的設計,使其可以應用於特定的用途。

  巴沙爾表示:“身體肌肉的細胞非常具有吸引力,因為你可以利用電信號對其進行控制。”他說:“比如說,在你設計一款設備,其可以再檢測到某種化學品或是接收到某個信號時啟動,這時候你就會考慮使用身體肌肉細胞。對我們來說,這是整個工具箱的一部分。我們希望能有不同的選擇,以便工程師們在設計這些東西的時候可以採用。”

  這項設計的靈感來源於在自然界中觀察到的肌腱骨結構。在3D打印的水凝膠中加入了支架,使其強度足以支撐整個生物機械體,但同時又足夠柔韌靈活,可以實現關節的彎曲。每一條肌肉都使用兩根支柱固定在支架上,就像肌腱骨連接身體的肌肉一樣,但這兩根支柱同時還要充當機器人腳的作用。

  這款機器人的速度可以通過調節電刺激的頻率萊實現控制。更高的頻率能讓肌肉更快收縮,從而也讓機器人的整體速度得以加速。

  項目組的研究生,這篇論文的合著者之一卡洛琳·凱特科維克(Caroline Cvetkovic)表示:“我們選擇仿生設計作為起點是很自然地做法,就像是原生的肌肉骨骼系統。這項工作標誌著我們朝著研製可以操控,訓練甚至進行任務編程的生物機器人的方向邁出的重要的第一步。我們很高興這一進展可能將會最終演化成為新一代的生物機器人,可以被廣泛應用於藥物分發,手術機器人,以及移動環境分析設備等等諸多領域。”

  下一步,研究人員們將繼續開展工作,實現對生物機器人運動狀態的更大程度操控,如為其植入神經系統,這樣生物機器人便能運用光或化學信號實現各種控制。從工程的角度出發,設計者希望能夠讓生物機器人能夠根據不同的信號做出不同的響應。

  感謝3D打印技術的發展,現在科學家們可以迅速嘗試各種不同的形態與設計方案。巴沙爾與他的同事們甚至計劃在本科生的課程中加入有關課程,以便讓學生們也可以參與嘗試設計不同的生物機器人。

  項目組研究生,論文合著者裡圖·拉曼(Ritu Raman)表示:“生物設計已經不是什麼新鮮的概念,組織工程學研究人員早已在這一領域耕耘多年,而這在醫學領域將會具有重要意義。

  但我們為什麼要在這裡停下腳步呢?我們可以繼續循著這條路線往前走,借助細胞非凡的自組織能力以及對環境的響應能力,推進設計非自然的生物機械體和系統。”

  巴沙爾表示:“基於細胞結構進一步推進工程進展是令人興奮的。我們的目標是讓這些機器人能夠使用自動感應器。比如我們希望它們可以感知某些特定的化學信號並向其接近,同時向目標施放化學劑來中和有毒物質。而此次實現電信號控制便是邁向這一目標的關鍵一步。”




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