科學家開發可「自我訓練」的游泳生物機器人 顯示出驚人的速度和力量

據媒體報導,機器人領域的目標是模仿自然生物實體在幾千年的進化過程中所取得的成就–如移動、適應環境或感知等行動。除了傳統的剛性機器人外,最近出現了軟體機器人領域,使用順應性強的柔性材料,能夠比剛性材料更有效地適應其環境。考慮到這一目標,科學家們多年來一直致力於所謂的生物混合機器人或生物機器人,通常由心臟或骨骼的肌肉組織和人工支架組成,實現爬行、抓取或游泳的軟體機器人。

科學家開發可「自我訓練」的游泳生物機器人 顯示出驚人的速度和力量

不幸的是,目前的生物機器人在移動性和力量方面遠遠無法模仿自然實體的性能。

現在,由ICREA研究教授Samuel Sanchez領導的加泰隆尼亞生物工程研究所(IBEC)的研究人員已經克服了這兩個挑戰,通過使用生物工程工具在生物機器人領域取得了突破。 Sanchez和他在IBEC的同事們應用3D生物列印和工程設計開發了厘米級的生物機器人,它們可以像魚一樣游泳和滑行,具有前所未有的速度。關鍵是:利用基於肌肉細胞的材料的自發收縮,有一個非常特殊的順應性骨架。

雖然大多數研究人員通常使用僵硬的或拴住的腳手架來准備人工機器人,但IBEC的研究人員使用了基於靈活的蛇形彈簧的生物機器人,該彈簧由一種名為PDMS的聚合物製成,通過模擬設計和優化,然後使用3D技術列印。這種創新支架的優勢在於,通過自發收縮時的機械自我刺激,改善了組織的訓練和發展,由於彈簧的恢復力,形成了一個反饋迴路。這種自我訓練事件導致生物機器人性能中的驅動力增強和收縮力增大。這樣的蛇形彈簧以前還沒有被納入軟體機器人生活系統中。

IBEC的ICREA研究教授Samuel Sanchez說:「我們生物工程的BIOBOTS由肌肉細胞組成,像蠕蟲或魚類一樣移動,對電刺激作出反應,並施加令人驚訝的力量和速度,這要歸功於它們與3D列印軟骨架的自我訓練。」

IBEC生物機器人以前所未有的速度游泳,並像魚一樣在岸邊游動:

科學家開發可「自我訓練」的游泳生物機器人 顯示出驚人的速度和力量

除了 “自我訓練 “的能力,IBEC研究人員開發的基於骨骼肌細胞的生物混合游泳器的移動速度比迄今為止報告的基於骨骼肌的生物機器人快791倍,並與其他基於心肌細胞的生物游泳器(基於心臟細胞)相當。

論文的第一作者Maria Guix解釋說:「自我刺激過程產生的增強力使我們的生物機器人設計成為迄今為止游泳速度最快的生物混合機器人,達到791倍。」

但是這些新的生物機器人也能夠進行其他運動:當它們被放置在底層表面附近時,它們能夠進行滑行,類似於某些魚類在表面附近的游泳方式,例如斑馬魚的快速起動擺尾-滑行行為,其特點是零星的快速起動擺尾,然後是滑行階段。

Sanchez、Guix和IBEC的同事們的工作為新一代基於肌肉細胞的更強大、更快速的生物機器人打開了大門,這些機器人不僅對環境和藥物輸送有意義,而且對仿生假肢的發展也有意義。在生物醫學領域,用人類肌肉列印這種三維肌肉模型的可能性,提供了將這種高功能的設備用於藥物測試的醫療平台的機會。

來源:cnBeta