沈阳自动化所团队新突破：基于动态电刺激的“仿蝠鲼类生命机器人”
在浩瀚无边的海洋世界里，有一种鱼拥有巨大的“羽翼”，像自带光环的礼服侠，它就是——蝠鲼，也被称为“魔鬼鱼”。作为自然界最高效的游泳者之一，它能够几乎毫不费力地在水中滑翔，甚至在湍急的水流中也能敏捷地来回游动。
图1 蝠鲼图片
大自然为机器人的发展提供了巨大的支持。近日，中国科学院沈阳自动化研究所机器人国家重点实验室团队以蝠鲼为设计灵感，研发了一种由体外培养的骨骼肌组织驱动、环形分布多电极(CDME)控制的类生命游动机器人，这个机器人仅由一块肌肉组织驱动就可以实现有效推进。
图2 仿蝠鲼类生命机器人示意图
仿生学是重要的机器人研究方法之一，通过模仿自然生物的结构和行为来提高机器人的运动学性能。而类生命机器人以天然生物材料为机器人核心要素，是仿生学的进一步发展。一些活体细胞已经被用于实现机器人的部分功能，包括感知、控制、驱动等，其中驱动作为决定其性能的关键因素，关系到机器人的整体性能。然而要进一步发展类生命机器人的可控运动性能，还需要创新的推进方式和控制方法。基于此项难题，研究人员们提出了一种基于CDME的动态控制方法。该项研究以论文形式发表在英文科技期刊Cyborg and Bionic Systems (类生命系统)上。
图3 论文具体信息
团队发现，CDME产生的电场对培养基和细胞的伤害比传统的电极要小，使用该方法可以动态控制电极所产生的电场方向，使其与机器人的驱动组织保持实时平行，进而保证机器人的稳定可控性。
材料与结构
首先，研究团队根据蝠鲼的结构设计了机器人的本体骨架，并选用了聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为结构的主要材料。同时，为了方便将驱动组织和机器人结构进行装配，研究人员选择了以成肌细胞为核心所制造的环形组织作为机器人的驱动部分。
图4 三维肌肉驱动组织制作方法示意图
此外，为了获得具有有效收缩力的环形肌肉组织，研究人员利用CDME的旋转电刺激实现成肌细胞向可收缩肌管的均匀诱导分化。为了控制机器人以理想的速度游动，他们在装配机器人之前测量了在不同电刺激下肌肉组织的收缩力。
图5 肌肉组织测量示意图(a)肌肉组织驱动的PDMS测量结构示意图;
(b) PDMS结构在驱动力作用下的形变模拟图
验证——稳定可控
为了控制类生命机器人以理想的速度游动，研究团队利用仿真方法分析了机器人的运动性能与驱动组织收缩力之间的关系。
图6 类生命机器人游动仿真。(a)类生命机器人模型；(b) 机器人游动仿真图；(c) 不同刺激电压下机器人游动仿真结果；(d) 不同刺激频率下机器人游动仿真结果。
最后，为了展示所提出的类生命机器人的稳定可控运动，研究人员采用所提出的动态电刺激方法实现了机器人以不同速度进行可控游动。
图7 基于CDME的类生命机器人动态控制方法示意图。
图8 类生命机器人游动速度与电刺激幅值和频率的关系，
实验中，机器人展示了有效的游动和稳定的可控性，验证了研究团队提出的仿生设计和基于CDME控制方法的有效性。
未来发展
该项研究所提出的仿生设计与驱动控制方法不但促进了类生命机器人的进一步发展，而且对软体机器人的仿生设计、肌肉组织工程等相关领域也有一定的指导意义。
不过，虽然现阶段的类生命机器人已经实现了有效的可控运动，但仍有许多关键的瓶颈需要被突破。例如，所制造的机器人尺寸大多为厘米级，难以应用于体内药物运输等应用场景。因此，面向微纳生物结构的3D打印、柔性操作等技术是开发应用于临床等特殊环境的类生命微型机器人的关键。此外，现有类生命机器人大多依靠外部人工刺激实现可控运动，缺乏自主性。因此，基于活体细胞的感知与控制方法可应用于类生命机器人研究，进而实现基于环境信息的机器人自主运动。
论文链接
https://doi.org/10.34133/2022/9891380
Citation
Chuang Zhang, Yiwei Zhang, Wenxue Wang, Ning Xi, Lianqing Liu, "A Manta Ray-Inspired Biosyncretic Robot with Stable Controllability by Dynamic Electric Stimulation", Cyborg and Bionic Systems, vol. 2022, Article ID 9891380, 13 pages, 2022. https://doi.org/10.34133/2022/9891380
论文作者
张闯，中科院沈阳自动化研究所副研究员，一直专注于机电系统与生命系统交叉融合研究。主要方向为：类生命机器人、仿生机器人。主持NSFC青年科学基金项目、中国博士后科学基金面上项目、中科院基础培育基金项目、中科院特别研究助理资助项目、辽宁省博士启动基金等；相关成果以第一/通讯作者在IEEE Transactions、Soft Robotics、Cyborg and Bionic Systems 等国际期刊和ICRA、IROS等机器人顶级会议上发表长文20余篇，其中多篇论文被Engineering（中国工程院院刊，中科院1区Top刊）、IEEE Transactions on Biomedical Engineering、Soft Matter、Biophysical Journal 等选为封面/亮点文章发表；入选CAA中国自动化领域年度团队、中国智能制造十大科技进展、中国机器人行业年会科学引领奖；获得中科院院长特别奖（全院50人/年）、NSFC世界机器人大赛-共融机器人挑战赛最佳风采奖、CAA优秀博士学位论文提名奖、IEEE 3M-NANO、IEEE NANO会议最佳论文奖等；担任Cyborg and Bionic Systems 国际期刊青年编委等。