供稿人：馮俊男 高琳 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2021-12-14
心肌組織和骨骼肌組織是類生命機(jī)器人中廣泛使用的生命材料。其中骨骼肌組織收縮的可控性更高，因此可以實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)，但是骨骼肌的彈性特性引起的縮減力（shrinking force）會(huì)導(dǎo)致組織長(zhǎng)度不斷減小，因此骨骼肌組織的壽命較短。本文使用3D打印制作了載有成肌細(xì)胞的水凝膠片，介紹了一種由一對(duì)拮抗的骨骼肌組織驅(qū)動(dòng)的類生命機(jī)器人。該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)大驅(qū)動(dòng)力以完成拾取-放置的動(dòng)作，同時(shí)相較于傳統(tǒng)的骨骼肌驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人，其壽命更長(zhǎng)，達(dá)到了一周。
該研究的重點(diǎn)在于拮抗骨骼肌組織的配置和制造方法。首先準(zhǔn)備載有成肌細(xì)胞的水凝膠片，其制備過(guò)程如下：使用3D打印制作相應(yīng)的樹(shù)脂模具，向其中注入PDMS彈性體以制成PDMS印章，在PDMS印章和硅橡膠片中夾入成肌細(xì)胞和水凝膠溶液，經(jīng)培養(yǎng)后釋放PDMS印章，最終得到具有孔和條狀結(jié)構(gòu)的載有成肌細(xì)胞的水凝膠片。將數(shù)片水凝膠片通過(guò)孔堆疊并固定至機(jī)器人的骨骼（機(jī)器人骨骼主體部分通過(guò)3D打印制造），兩組水凝膠片對(duì)稱放置。通過(guò)培養(yǎng)，每一組水凝膠片上的條狀結(jié)構(gòu)會(huì)融合成一個(gè)結(jié)構(gòu)，最終形成一對(duì)拮抗的骨骼肌組織。通過(guò)單獨(dú)刺激兩塊骨骼肌的收縮和舒張，該機(jī)器人可以驅(qū)動(dòng)其尾部的關(guān)節(jié)完成約90°的雙向轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)形態(tài)和功能分析，本文證明了水凝膠片上的條狀結(jié)構(gòu)促進(jìn)了單位橫截面積上的收縮力（contractile force），同時(shí)也證明了一對(duì)拮抗骨骼肌的配置可以平衡每一塊骨骼肌中的縮減力，進(jìn)而維持了組織的長(zhǎng)度和收縮力，因此獲得了更久的壽命。本文的研究成果有助于突破傳統(tǒng)類生命機(jī)器人在設(shè)計(jì)上的限制，文中提出的制備骨骼肌組織的方法使得可以通過(guò)操作水凝膠片在任意位置構(gòu)建骨骼肌，以模仿生物體的結(jié)構(gòu)，提高了使用骨骼肌組織驅(qū)動(dòng)模仿多種類生物動(dòng)作的潛能。
圖1 一對(duì)拮抗骨骼肌組織驅(qū)動(dòng)的類生命機(jī)器人的結(jié)構(gòu)
圖2 該機(jī)器人執(zhí)行的拾取-放置動(dòng)作