植入活水母體內(nèi)的微電子技術(shù)可以增強(qiáng)推進(jìn)力

機(jī)器人材料的研究人員旨在人工控制動(dòng)物運(yùn)動(dòng)，以解決軟機(jī)器人中驅(qū)動(dòng)、控制和功率需求方面的現(xiàn)有挑戰(zhàn)。 斯坦福大學(xué)生物工程、土木和環(huán)境工程和機(jī)械工程系的Nicole W.Xu和John O.Dabiri在一份新的《科學(xué)進(jìn)步》報(bào)告中介紹了一種生物混合機(jī)器人，該機(jī)器人利用機(jī)載微電子技術(shù)誘導(dǎo)活水母游泳。

他們測(cè)量了通過在比自然行為更快的最佳頻率范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)身體收縮來大大增強(qiáng)推進(jìn)的能力。 這一操作使游泳速度增加了近三倍，盡管動(dòng)物的代謝支出只增加了兩倍，微電子的外部功率輸入增加了10米。 生物混合機(jī)器人使用的外部功率每質(zhì)量比以前報(bào)道的水生機(jī)器人少10到1000倍。 該能力可以提高生物混合機(jī)器人相對(duì)于本機(jī)性能的性能范圍，具有生物混合海洋監(jiān)測(cè)機(jī)器人的潛在應(yīng)用前景。

水母是一種引人注目的模型生物，由于其運(yùn)輸成本低，形成節(jié)能的水下航行器。 現(xiàn)有的完全由工程材料制造的游泳動(dòng)物仿生機(jī)器人可以達(dá)到與自然動(dòng)物相當(dāng)?shù)乃俣?，但其效率比水母低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 因此，生物雜交水母機(jī)器人可以整合活動(dòng)物來應(yīng)對(duì)軟機(jī)器人的現(xiàn)有挑戰(zhàn)。 研究人員可以利用水母的結(jié)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)和解決動(dòng)力需求，通過探索自然喂養(yǎng)行為，在那里他們從獵物原位提取化學(xué)能量。 這種方法還可以通過動(dòng)物固有的自然傷口愈合過程從損傷中恢復(fù)，控制動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)，并允許在用戶控制的實(shí)驗(yàn)中對(duì)活體生物力學(xué)進(jìn)行額外的研究。 在本研究中，徐和達(dá)比里利用微電子系統(tǒng)對(duì)活水母進(jìn)行外部控制，形成生物雜交機(jī)器人，推進(jìn)水生運(yùn)動(dòng)的科學(xué)和工程。

為了激活水母作為一種天然支架，該團(tuán)隊(duì)利用動(dòng)物自身的基礎(chǔ)代謝來減少額外的動(dòng)力需求，并利用其肌肉進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，同時(shí)依靠自愈和組織再生特性來提高損傷耐受性.. 研究小組假設(shè)，增加水母的鐘縮頻率可以使游泳速度達(dá)到極限。 因此，他們通過測(cè)量游泳速度和氧氣攝入量來計(jì)算運(yùn)輸成本(COT)并檢驗(yàn)他們的工作假設(shè)，從外部控制自由游泳動(dòng)物的脈沖頻率。 以前，這種檢查只能通過計(jì)算或理論模型進(jìn)行。

徐等人 選擇奧雷利亞奧麗塔作為一個(gè)模型有機(jī)體；一種扁圓形水母，含有一個(gè)靈活的系膜鐘和單層冠狀和徑向肌肉襯里的下鼓表面。 為了游泳，有機(jī)體收縮肌肉，以減少鐘下腔體積，并噴出水，以提供動(dòng)力，同時(shí)提供額外的貢獻(xiàn)，從被動(dòng)能量回收和吸力為基礎(chǔ)的推進(jìn)。 為了啟動(dòng)這些肌肉收縮，水母沿著鐘緣激活了位于傳感器器官中的任何輕起搏器。 這些神經(jīng)簇激活了整個(gè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致雙向肌波傳播，起源于自然傳播過程中激活的起搏器。

活水母機(jī)器人設(shè)計(jì)集成和設(shè)備驗(yàn)證

科學(xué)家們首先設(shè)計(jì)了一種便攜式的、獨(dú)立的微電子游泳控制器，以產(chǎn)生方形脈搏波，并刺激肌肉收縮從0.25Hz到1.00Hz。 他們用一個(gè)小百合迷你處理器和一個(gè)10米Ah鋰聚合物電池組成控制器。 為了直觀地確認(rèn)電信號(hào)，徐等人。 將電線串聯(lián)到小百合發(fā)光二極管(LED)。 然后，他們將電極雙邊插入桶下組織，并保持系統(tǒng)自然浮力與不銹鋼墊圈和軟木塞。 為了驗(yàn)證游泳控制器可以外部控制水母鐘收縮，科學(xué)家們開發(fā)了一種跟蹤鐘緣運(yùn)動(dòng)的方法。 為此，他們完成了三組實(shí)驗(yàn)，（1)在沒有任何干擾的情況下觀察生物體的內(nèi)源性收縮，(2)觀察機(jī)械嵌入非活性電極是否影響自然動(dòng)物行為，(3）測(cè)試刺激方案以確認(rèn)外部驅(qū)動(dòng)的收縮。

他們發(fā)現(xiàn)，自然動(dòng)物的行為（或內(nèi)源性收縮）是不規(guī)則的，具有較高的脈率變異性-包括平均峰值頻率為0.16Hz。 不活躍的電極沒有顯著改變頻譜，而外部驅(qū)動(dòng)的收縮顯示水母肌肉收縮的生理極限在1.4Hz到1.5Hz之間。 該小組在鹽水箱中使用植入系統(tǒng)進(jìn)行游泳試驗(yàn)，并將測(cè)量的游泳速度標(biāo)準(zhǔn)化，以考慮動(dòng)物大小的變化。 在沒有刺激的情況下，他們用歸一化速度的平均值來縮放歸一化游泳速度(即。 0H z)來確定增強(qiáng)因子。 最大增強(qiáng)因子是動(dòng)物自然游泳速度的2.8倍，即使用機(jī)載微電子技術(shù)提高游泳速度2.8倍。

高效的設(shè)備功耗

人工控制的水母需要來自微電子系統(tǒng)的外部力量和來自動(dòng)物自身代謝的內(nèi)部力量。 當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率增加時(shí)，生物混合機(jī)器人水母的微電子系統(tǒng)每公斤消耗更大的瓦特。 然而，與現(xiàn)有的機(jī)器人相比，這種生物混合機(jī)器人使用的外部功率高達(dá)1000倍。 徐等人 將該原型與在硅支架上播種的大鼠心肌細(xì)胞制成的Medusoid和機(jī)器人射線進(jìn)行了比較，并與純機(jī)械機(jī)器人以及自主水下機(jī)器人(AUV)進(jìn)行了比較。 除了生物混合機(jī)器人每質(zhì)量的低外部功耗的成本效益外，微電子系統(tǒng)從商業(yè)上可用的組件中只花費(fèi)不到20$。 化學(xué)定位也是非特異性的，動(dòng)物在實(shí)驗(yàn)后立即恢復(fù)。

外部控制的新能力允許徐等人。 探討游泳頻率與代謝率的關(guān)系。 耗氧率遵循與提高游泳速度相似的模式，科學(xué)家們使用實(shí)驗(yàn)代謝速率和實(shí)驗(yàn)游泳速度計(jì)算了等效的運(yùn)輸成本。 在中等頻率下，COT增加，在較高的外部刺激頻率下降低.. 結(jié)果表明，增強(qiáng)的水母游泳不會(huì)對(duì)動(dòng)物的新陳代謝或健康造成不應(yīng)有的代價(jià)。

研究的主要機(jī)器人極限是微電子系統(tǒng)相對(duì)于動(dòng)物和微電子功率需求的功率需求。 進(jìn)一步改進(jìn)微電子技術(shù)可以降低能量成本，擴(kuò)展的研究也可以努力減少內(nèi)源性動(dòng)物收縮，而不損害生物體，以提高基于活體動(dòng)物的生物雜交機(jī)器人的可控性。 海蜇的人工控制可以通過結(jié)合微電子傳感器來利用現(xiàn)有的標(biāo)記技術(shù)，擴(kuò)大海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)，提高其可控性。