玩具變形金剛和現(xiàn)實(shí)生活中的鯨魚激發(fā)了生物混合機(jī)器人

達(dá)特茅斯學(xué)院和香港城市大學(xué)Thayer工程學(xué)院的研究人員從生物學(xué)和玩具架中汲取靈感，開發(fā)出一種帶有光控蜂窩發(fā)動(dòng)機(jī)的游泳機(jī)器人，可以進(jìn)行高度針對(duì)性的藥物輸送。

研究人員將心臟組織工程，三維打印機(jī)翼結(jié)構(gòu)和光敏凝膠相結(jié)合，生產(chǎn)出具有啟停功能的軟機(jī)器人?？汕袚Q裝置在暴露于穿透皮膚的近紅外光時(shí)會(huì)改變其形狀，使其在人體血流等流體環(huán)境中驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)。

可變形裝置顯著提高了設(shè)計(jì)用于在人體和其他非常規(guī)工作環(huán)境中工作的機(jī)器人的實(shí)用性。

香港城市大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)制作了原始機(jī)器人設(shè)計(jì)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。達(dá)特茅斯團(tuán)隊(duì)對(duì)設(shè)備進(jìn)行了機(jī)械和數(shù)值分析，并建議對(duì)尺寸和形狀等設(shè)計(jì)元素進(jìn)行更改。

“利用這項(xiàng)技術(shù)，我們可以創(chuàng)造具有前所未有的機(jī)動(dòng)性的軟變形機(jī)器人，”Thayer工程助理教授Zi Chen說。“我們的靈感來自具有不同配置和功能的可變形玩具。結(jié)果是沒有玩具，它可能會(huì)改變?nèi)藗兊纳睢?rdquo;

活生物體能夠改變形狀以執(zhí)行特定動(dòng)作。一只刺猬蜷縮成一個(gè)防守球。鳥兒張開翅膀飛翔。諸如維納斯捕蠅草等食蟲植物開啟和關(guān)閉。這項(xiàng)新研究是開發(fā)機(jī)器人的長期努力的一部分，這些機(jī)器人模仿了自然界中發(fā)現(xiàn)的這種變形行為。

為了有效，新一代機(jī)器人需要節(jié)能，并且必須能夠響應(yīng)不同類型的刺激，如光或熱。

雖然已經(jīng)存在這些類型的機(jī)器人的例子，但是研究人員一直在努力創(chuàng)造一種能夠流暢地改變其形狀以允許其按需開始和停止移動(dòng)的裝置。大多數(shù)現(xiàn)有系統(tǒng)還依賴于由于其幾乎恒定的溫度而難以在人體中刺激的溫度變化。

“使用光線控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的能力創(chuàng)造了一個(gè)功能更強(qiáng)大的裝置，可以高精度地操作，”最近的博士Xiaomin Han表示。畢業(yè)于Thayer的Chen研究實(shí)驗(yàn)室。

遙控機(jī)器人由尾鰭驅(qū)動(dòng)，模仿鯨魚的游泳動(dòng)作。該結(jié)構(gòu)以飛機(jī)機(jī)翼的形狀進(jìn)行3D打印，然后涂有心肌細(xì)胞。與心肌細(xì)胞導(dǎo)致心臟連續(xù)搏動(dòng)的方式相同，它們也通過恒定的波動(dòng)作用推動(dòng)該生物混合裝置。

為了控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，研究人員將光敏水凝膠應(yīng)用于機(jī)翼。在沒有光線的情況下，翅膀展開，允許心臟細(xì)胞向前推進(jìn)。當(dāng)暴露在光線下時(shí)，浮動(dòng)平面縮回其機(jī)翼，使其停止。

“心臟肌肉不斷攪動(dòng)，但他們無法克服機(jī)翼的阻力，”陳說。“這就像在緊急制動(dòng)器上打開加速踏板一樣。”

機(jī)器人對(duì)近紅外光的高靈敏度創(chuàng)造了一種響應(yīng)速度，幾乎可以立即改變機(jī)翼形狀，使其具有高度的機(jī)動(dòng)性。在這項(xiàng)研究中，研究人員利用浮動(dòng)平面機(jī)器人的“前所未有的可控性和響應(yīng)性”作為貨物載體，對(duì)癌細(xì)胞進(jìn)行靶向藥物輸送。

“我們真的放棄了對(duì)癌細(xì)胞的毒品炸彈，”陳說。“可轉(zhuǎn)換概念的實(shí)現(xiàn)為下一代智能生物混合機(jī)器人系統(tǒng)的潛在發(fā)展鋪平了道路。”

生物混合機(jī)器人可以生產(chǎn)各種尺寸，范圍從幾毫米到幾十厘米。這種可擴(kuò)展性使其具有良好的靈活性，可以在困難的環(huán)境中承擔(dān)與導(dǎo)航和監(jiān)視相關(guān)的任務(wù)。

一項(xiàng)描述該研究的研究首次出現(xiàn)在3月下旬的學(xué)術(shù)期刊Small上。

在目前的研究中，研究人員通過使用光來控制整個(gè)機(jī)器人的起停運(yùn)動(dòng)。未來的研究將使用光線對(duì)準(zhǔn)機(jī)器人上的單獨(dú)機(jī)翼，以便可以更精確地操縱它。

本研究由香港城市大學(xué)的彭石和徐秉哲共同完成。來自新加坡國立大學(xué)的Yuwei Hu和Chia-Hung Chen以及湖北工業(yè)大學(xué)的Yiming Luo也參與了這項(xiàng)研究。