中科院沈陽自動化所團隊成功研發“仿蝠鲼類生命機器人”

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展提供了巨大支持。近日，中國科學院沈陽自動化研究所類生命機器人研究團隊以蝠鲼為設計靈感，研發了一種由體外培養的骨骼肌組織驅動、環形分布多電極（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動就可實現有效推進。

仿蝠鲼類生命機器人示意圖

仿生學是重要的機器人研究方法之一，通過模仿自然生物的結構和行為來提高機器人的運動學性能。而類生命機器人以天然生物材料為機器人核心要素，是仿生學的進一步發展。例如，一些活體細胞已經被用于實現機器人的部分功能，包括感知、控制、驅動等，其中驅動作為決定其性能的關鍵因素，關系到機器人的整體性能。然而要進一步發展類生命機器人的可控運動性能，還需要創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的動態控制方法。該項研究以論文《基于動態電刺激的“仿蝠鲼類生命機器人”》（A Manta RayInspired Biosyncretic?Robot?with?Stable?Controllability?by?Dynamic?Electric?Stimulation）發表在期刊《類生命系統》（Cyborg and Bionic Systems）上。

論文具體信息

研究團隊發現，CDME產生的電場對培養基和細胞的傷害要比傳統平行板電極要小，并且使用該方法可動態控制所產生的電場方向，使其與機器人的驅動組織保持實時平行，進而保證機器人的穩定可控性。

在材料與結構方面，研究團隊根據蝠鲼的結構設計了機器人的本體骨架，并選用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為結構的主要材料。為了方便將驅動組織和機器人骨架結構進行裝配，研究人員選擇了以成肌細胞為核心所制造的環形組織作為機器人的驅動部分。

三維肌肉驅動組織制作方法示意圖

為獲得具有有效收縮力的環形肌肉組織，研究人員利用CDME的旋轉電刺激實現成肌細胞向可收縮肌管的均勻誘導分化。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。

肌肉組織測量示意圖。(a)肌肉組織驅動的PDMS測量結構示意圖；(b) PDMS結構在驅動力作用下的形變模擬圖。

在驗證機器人的穩定可控性方面，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動組織收縮力之間的關系。

類生命機器人游動仿真。(a)類生命機器人模型；(b) 機器人游動仿真圖；(c) 不同刺激電壓下機器人游動仿真結果；(d) 不同刺激頻率下機器人游動仿真結果。

為了展示所提出的類生命機器人的穩定可控運動，研究人員采用所提出的動態電刺激方法實現了機器人以不同速度進行可控游動。

基于CDME的類生命機器人動態控制方法示意圖

類生命機器人游動速度與電刺激幅值和頻率的關系

在實驗中，機器人展示了有效的游動和穩定的可控性，驗證了研究團隊提出的仿生設計和基于CDME控制方法的有效性。

論文指出，該項研究所提出的仿生設計與驅動控制方法不但可以促進類生命機器人的進一步發展，而且對軟體機器人的仿生設計、肌肉組織工程等相關領域也有一定的潛在指導意義。

不過，現階段的類生命機器人雖然已實現了有效的可控運動，但仍有許多關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，難以應用于體內藥物運輸等場景。因此，面向微納生物結構的3D打印、柔性操作等技術是開發應用于臨床等特殊環境的類生命微型機器人的關鍵。此外，現有的類生命機器人大多依靠外部人工刺激實現可控運動，缺乏自主性。因此，基于活體細胞的感知與控制方法可應用于類生命機器人研究，進而實現基于環境信息感知的機器人自主運動。

據悉，《類生命系統》是北京理工大學與美國科學促進會（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與生命系統交叉融合研究。主持NSFC青年科學基金項目、中國博士后科學基金面上項目、中科院基礎培育基金項目、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、中國機器人行業年會“科學引領獎”等。

（文中圖片均由《類生命系統》期刊編輯部提供）