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：2023-10-01
由生命系統(tǒng)和人造系統(tǒng)融合而成的生物混合機(jī)器人本質(zhì)上擁有兩種系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，可以模仿生物體的運(yùn)動(dòng)以執(zhí)行特定任務(wù)。目前通常使用電刺激肌肉來(lái)控制生物混合機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，但電刺激通常需要侵入式或接觸組織的電極，并且會(huì)無(wú)選擇性地激活全部細(xì)胞。光遺傳學(xué)為非侵入地和局部選擇性地刺激生物混合機(jī)器人提供了一種強(qiáng)大的范式。然而該方法通常需要手動(dòng)地將光源置于需要激活的肌肉附近，十分繁瑣且適用性有限。為了解決該問(wèn)題，伊利諾伊大學(xué)的研究者們將輕量、微型且柔性的無(wú)線光電設(shè)備與3D打印的水凝膠支架集成，并與三維骨骼肌驅(qū)動(dòng)器結(jié)合，通過(guò)無(wú)線通訊實(shí)現(xiàn)對(duì)生物混合爬行機(jī)器人的無(wú)線控制。厘米級(jí)的爬行機(jī)器人經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，可獨(dú)立刺激多個(gè)光遺傳學(xué)骨骼肌，實(shí)現(xiàn)了個(gè)體和集體層面的爬行、轉(zhuǎn)彎和運(yùn)輸?shù)裙δ堋?/p>
該研究的重點(diǎn)在于集成無(wú)線光電設(shè)備的柔性三維支架的設(shè)計(jì)和制造方法。首先利用激光燒蝕工藝和熱風(fēng)焊接工藝制造了柔性電路板并對(duì)其進(jìn)行封裝。隨后根據(jù)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和優(yōu)化結(jié)果，使用SolidWorks對(duì)三維支架建模，并使用數(shù)字光處理 3D 打印機(jī)制造了仿肌腱-骨骼結(jié)構(gòu)的、非對(duì)稱(chēng)的聚乙二醇二丙烯酸酯水凝膠支架。隨后通過(guò)將細(xì)胞/水凝膠混合溶液添加在模具中，并自發(fā)收縮使三維骨骼肌驅(qū)動(dòng)器組裝至水凝膠支架中。最后將柔性電路板與圓形聚二甲基硅氧烷粘貼并組裝到水凝膠支架的孔洞中，以實(shí)現(xiàn)該無(wú)線光控的生物混合機(jī)器人的制造。通過(guò)無(wú)線光電設(shè)備遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制肌肉驅(qū)動(dòng)器的收縮，使得水凝膠支架發(fā)生非對(duì)稱(chēng)變形，最終通過(guò)支架與基底間產(chǎn)生的非對(duì)稱(chēng)摩擦力使機(jī)器人得以運(yùn)動(dòng)。
圖1 該機(jī)器人的制造和優(yōu)化示意圖
圖2 雙足機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)和多個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制