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美研制出首个人造肌肉动力行走生物机器人

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美研制出首个人造肌肉动力行走生物机器人

Post by Forum Management on July 7th 2014, 18:58

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 美国科学家研制的微型行走生物机器人,设计灵感来自于肌肉-腱-骨的复杂结构。这种生物机器人由实验室培育的肌肉细胞构成的肌肉条提供动力,由电脉冲进行控制,赋予研究人员空前的控制能力。研究人员表示这项研究成果将孕育出新一代柔软可弯曲生物机器人

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 在设计上,3D打印的水凝胶充当生物机器人的脊骨。这条脊骨拥有足够的坚固度,赋予生物机器人结构,同时又能像关节一样弯曲。两个锚柱负责将肌肉条固定在脊骨上,就像腱将肌肉依附在骨骼上一样。此外,锚柱还充当生物机器人的脚。它的速度可以通过调节电脉冲的频率进行控制

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 在设计上,3D打印的水凝胶充当生物机器人的脊骨。这条脊骨拥有足够的坚固度,赋予生物机器人结构,同时又能像关节一样弯曲。两个锚柱负责将肌肉条固定在脊骨上,就像腱将肌肉依附在骨骼上一样。此外,锚柱还充当生物机器人的脚。它的速度可以通过调节电脉冲的频率进行控制
  据物理学家组织网站报道,新一代的微型生物机器人开始拥有肌肉了。美国伊利诺伊大学的工程师们近日展示了一款“行走型”的“生物机器人”,其由肌肉细胞提供能量,并利用电脉冲实现操控,这将让研究人员对它们的功能具有前所未有的控制力。研究组在本月出版的《美国国家科学院院报》上报告了他们的此项进展。

  伊利诺伊大学生物工程学教授拉希德·巴沙尔(Rashid Bashir)是此项研究的主管,他表示:“由细胞实现的生物驱动是任何生物机械体研发过程中必须具备的一项技术。”他说:“我们正尝试将这些工程学原则与生物学相结合,并将其应用于生物机械与系统的设计与开发工作当中,从而造福环境与医药应用领域。生物学无比强大,如果我们能将其潜能部分应用于有用的方面,那将会带来很多益处。”

  巴沙尔的小组在设计与开发生物机器人方面处于领先地位,他们开发的微型机器人体长仅有不到一厘米,且由可伸缩3-D打印的水凝胶与活体细胞组成。此前这一研究组还展示了机器人自行行走的场面,其动能由取自老鼠心脏搏动的心脏细胞提供。然而,心脏细胞会时不时发生收缩,从而让研究人员难以操控机器人的运动。这就让开发人员很难利用心脏细胞构建可以自由开启或关闭,加速或减速的生物机械体。

  而这款新的生物机器人采用了身体肌肉细胞,并使用电脉冲实现控制。这就让研究人员有了一种简单的途径来实现操控目的,并开启了未来其他设计的可能性,因此工程师们可以藉此优化生物机械体的设计,使其可以应用于特定的用途。

  巴沙尔表示:“身体肌肉的细胞非常具有吸引力,因为你可以利用电信号对其进行控制。”他说:“比如说,在你设计一款设备,其可以再检测到某种化学品或是接收到某个信号时启动,这时候你就会考虑使用身体肌肉细胞。对我们来说,这是整个工具箱的一部分。我们希望能有不同的选择,以便工程师们在设计这些东西的时候可以采用。”这项设计的灵感来源于在自然界中观察到的肌腱骨结构。在3D打印的水凝胶中加入了支架,使其强度足以支撑整个生物机械体,但同时又足够柔韧灵活,可以实现关节的弯曲。每一条肌肉都使用两根支柱固定在支架上,就像肌腱骨连接身体的肌肉一样,但这两根支柱同时还要充当机器人脚的作用。

  这款机器人的速度可以通过调节电刺激的频率莱实现控制。更高的频率能让肌肉更快收缩,从而也让机器人的整体速度得以加速。

  项目组的研究生,这篇论文的合著者之一卡洛琳·凯特科维克(Caroline Cvetkovic)表示:“我们选择仿生设计作为起点是很自然地做法,就像是原生的肌肉骨骼系统。这项工作标志着我们朝着研制可以操控,训练甚至进行任务编程的生物机器人的方向迈出的重要的第一步。我们很高兴这一进展可能将会最终演化成为新一代的生物机器人,可以被广泛应用于药物分发,手术机器人,以及移动环境分析设备等等诸多领域。

  下一步,研究人员们将继续开展工作,实现对生物机器人运动状态的更大程度操控,如为其植入神经系统,这样生物机器人便能运用光或化学信号实现各种控制。从工程的角度出发,设计者希望能够让生物机器人能够根据不同的信号做出不同的响应。感谢3D打印技术的发展,现在科学家们可以迅速尝试各种不同的形态与设计方案。巴沙尔与他的同事们甚至计划在本科生的课程中加入有关课程,以便让学生们也可以参与尝试设计不同的生物机器人。

  项目组研究生,论文合著者里图·拉曼(Ritu Raman)表示:“生物设计已经不是什么新鲜的概念,组织工程学研究人员早已在这一领域耕耘多年,而这在医学领域将会具有重要意义。但我们为什么要在这里停下脚步呢?我们可以继续循着这条路线往前走,借助细胞非凡的自组织能力以及对环境的响应能力,推进设计非自然的生物机械体和系统。”

  巴沙尔表示:“基于细胞结构进一步推进工程进展是令人兴奋的。我们的目标是让这些机器人能够使用自动感应器。比如我们希望它们可以感知某些特定的化学信号并向其接近,同时向目标施放化学剂来中和有毒物质。而此次实现电信号控制便是迈向这一目标的关键一步。”


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