美研制出首個人造肌肉動力行走生物機(jī)器人

近日消息，據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)站報(bào)道，新一代的微型生物機(jī)器人開始擁有肌肉了。美國伊利諾伊大學(xué)的工程師們近日展示了一款“行走型”的“生物機(jī)器人”，其由肌肉細(xì)胞提供能量，并利用電脈沖實(shí)現(xiàn)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(xué)院院報(bào)》上報(bào)告了他們的此項(xiàng)進(jìn)展。

伊利諾伊大學(xué)生物工程學(xué)教授拉希德·巴沙爾(Rashid Bashir)是此項(xiàng)研究的主管，他表示：“由細(xì)胞實(shí)現(xiàn)的生物驅(qū)動是任何生物機(jī)械體研發(fā)過程中必須具備的一項(xiàng)技術(shù)。”他說：“我們正嘗試將這些工程學(xué)原則與生物學(xué)相結(jié)合，并將其應(yīng)用于生物機(jī)械與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作當(dāng)中，從而造福環(huán)境與醫(yī)藥應(yīng)用領(lǐng)域。生物學(xué)無比強(qiáng)大，如果我們能將其潛能部分應(yīng)用于有用的方面，那將會帶來很多益處。”

巴沙爾的小組在設(shè)計(jì)與開發(fā)生物機(jī)器人方面處于領(lǐng)先地位，他們開發(fā)的微型機(jī)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(xì)胞組成。此前這一研究組還展示了機(jī)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(xì)胞提供。然而，心臟細(xì)胞會時不時發(fā)生收縮，從而讓研究人員難以操控機(jī)器人的運(yùn)動。這就讓開發(fā)人員很難利用心臟細(xì)胞構(gòu)建可以自由開啟或關(guān)閉，加速或減速的生物機(jī)械體。

而這款新的生物機(jī)器人采用了身體肌肉細(xì)胞，并使用電脈沖實(shí)現(xiàn)控制。這就讓研究人員有了一種簡單的途徑來實(shí)現(xiàn)操控目的，并開啟了未來其他設(shè)計(jì)的可能性，因此工程師們可以藉此優(yōu)化生物機(jī)械體的設(shè)計(jì)，使其可以應(yīng)用于特定的用途。

巴沙爾表示：“身體肌肉的細(xì)胞非常具有吸引力，因?yàn)槟憧梢岳?strong>電信號對其進(jìn)行控制。”他說：“比如說，在你設(shè)計(jì)一款設(shè)備，其可以再檢測到某種化學(xué)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(xì)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(shè)計(jì)這些東西的時候可以采用。”這項(xiàng)設(shè)計(jì)的靈感來源于在自然界中觀察到的肌腱骨結(jié)構(gòu)。在3D打印的水凝膠中加入了支架，使其強(qiáng)度足以支撐整個生物機(jī)械體，但同時又足夠柔韌靈活，可以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)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(dāng)機(jī)器人腳的作用。

這款機(jī)器人的速度可以通過調(diào)節(jié)電刺激的頻率萊實(shí)現(xiàn)控制。更高的頻率能讓肌肉更快收縮，從而也讓機(jī)器人的整體速度得以加速。

項(xiàng)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(shè)計(jì)作為起點(diǎn)是很自然地做法，就像是原生的肌肉骨骼系統(tǒng)。這項(xiàng)工作標(biāo)志著我們朝著研制可以操控，訓(xùn)練甚至進(jìn)行任務(wù)編程的生物機(jī)器人的方向邁出的重要的第一步。我們很高興這一進(jìn)展可能將會最終演化成為新一代的生物機(jī)器人，可以被廣泛應(yīng)用于藥物分發(fā)，手術(shù)機(jī)器人，以及移動環(huán)境分析設(shè)備等等諸多領(lǐng)域。

下一步，研究人員們將繼續(xù)開展工作，實(shí)現(xiàn)對生物機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)的更大程度操控，如為其植入神經(jīng)系統(tǒng)，這樣生物機(jī)器人便能運(yùn)用光或化學(xué)信號實(shí)現(xiàn)各種控制。從工程的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)者希望能夠讓生物機(jī)器人能夠根據(jù)不同的信號做出不同的響應(yīng)。感謝3D打印技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在科學(xué)家們可以迅速嘗試各種不同的形態(tài)與設(shè)計(jì)方案。巴沙爾與他的同事們甚至計(jì)劃在本科生的課程中加入有關(guān)課程，以便讓學(xué)生們也可以參與嘗試設(shè)計(jì)不同的生物機(jī)器人。

項(xiàng)目組研究生，論文合著者里圖·拉曼(Ritu Raman)表示：“生物設(shè)計(jì)已經(jīng)不是什么新鮮的概念，組織工程學(xué)研究人員早已在這一領(lǐng)域耕耘多年，而這在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)哂兄匾饬x。但我們?yōu)槭裁匆谶@里停下腳步呢?我們可以繼續(xù)循著這條路線往前走，借助細(xì)胞非凡的自組織能力以及對環(huán)境的響應(yīng)能力，推進(jìn)設(shè)計(jì)非自然的生物機(jī)械體和系統(tǒng)。”

巴沙爾表示：“基于細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)一步推進(jìn)工程進(jìn)展是令人興奮的。我們的目標(biāo)是讓這些機(jī)器人能夠使用自動感應(yīng)器。比如我們希望它們可以感知某些特定的化學(xué)信號并向其接近，同時向目標(biāo)施放化學(xué)劑來中和有毒物質(zhì)。而此次實(shí)現(xiàn)電信號控制便是邁向這一目標(biāo)的關(guān)鍵一步。”