供稿人：陳文瑜、高琳 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點實驗室 發(fā)布日期：2024-07-01
近年來，通過將機械部件與生物材料結(jié)合制造而成的生物混合機器人成為了先進(jìn)機器人研究的一大熱門方向。這類機器人將骨骼肌構(gòu)建在柔性基底上，由肌肉組織提供動力，從而實現(xiàn)機器人運動。然而，傳統(tǒng)的生物混合機器人盡管可以進(jìn)行直線運動或大角度轉(zhuǎn)向，卻很難進(jìn)行精細(xì)的轉(zhuǎn)向運動。
為解決這一問題，東京大學(xué)的研究團隊開發(fā)了一種仿人類雙足運動的生物混合雙足機器人。該機器人由漂浮體、柔性基板、腿和骨骼肌組織構(gòu)成，其中，機器人的腿部采用噴墨3D打印技術(shù)制造，以實現(xiàn)其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，使之具有一定柔性以支持機器人的運動。
圖1 由骨骼肌驅(qū)動的雙足機器人
機器人的運動可以分為三個階段：提升、懸掛和著陸。在第一階段，骨骼肌組織的收縮導(dǎo)致腿部抬升距離持續(xù)增加。在第二階段，由于柔性基板和骨骼肌組織的彈性，懸空的腿會產(chǎn)生一定的振蕩，當(dāng)懸空腿的前進(jìn)距離達(dá)到最大時，釋放肌肉的收縮力。第三階段中，懸空腿由于重力落地，機器人完成向前運動。運動過程中，通過一條腿的重量固定與底面的接觸點以提供物理旋轉(zhuǎn)中心，從而實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。這種運動方式由于機器人在其運動軸上的距離更短，因此能實現(xiàn)更精確、自由的運動。
圖2 機器人運動的三個階段
這項研究的結(jié)果為培養(yǎng)的骨骼肌組織驅(qū)動的軟機器人的發(fā)展提供寶貴的見解。此外，這項研究的概念有助于彈性外骨骼的研究，并可以作為動態(tài)運動模型用于藥物療效研究和病理生理分析。