使用無線光電技術(shù)遠程控制的生物混合機器人

供稿人：馮俊男、高琳
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　
來源：中國機械工程學會增材制造技術(shù)（3D打印）分會

由生命系統(tǒng)和人造系統(tǒng)融合而成的生物混合機器人本質(zhì)上擁有兩種系統(tǒng)的優(yōu)勢，可以模仿生物體的運動以執(zhí)行特定任務(wù)。目前通常使用電刺激肌肉來控制生物混合機器人的運動，但電刺激通常需要侵入式或接觸組織的電極，并且會無選擇性地激活全部細胞。光遺傳學為非侵入地和局部選擇性地刺激生物混合機器人提供了一種強大的范式。然而該方法通常需要手動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。為了解決該問題，伊利諾伊大學的研究者們將輕量、微型且柔性的無線光電設(shè)備與3D打印的水凝膠支架集成，并與三維骨骼肌驅(qū)動器結(jié)合，通過無線通訊實現(xiàn)對生物混合爬行機器人的無線控制。厘米級的爬行機器人經(jīng)過計算機設(shè)計和優(yōu)化，可獨立刺激多個光遺傳學骨骼肌，實現(xiàn)了個體和集體層面的爬行、轉(zhuǎn)彎和運輸?shù)裙δ堋?br />
該研究的重點在于集成無線光電設(shè)備的柔性三維支架的設(shè)計和制造方法。首先利用激光燒蝕工藝和熱風焊接工藝制造了柔性電路板并對其進行封裝。隨后根據(jù)計算機設(shè)計和優(yōu)化結(jié)果，使用SolidWorks對三維支架建模，并使用數(shù)字光處理 3D 打印機制造了仿肌腱-骨骼結(jié)構(gòu)的、非對稱的聚乙二醇二丙烯酸酯水凝膠支架。隨后通過將細胞/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，以實現(xiàn)該無線光控的生物混合機器人的制造。通過無線光電設(shè)備遠程精準控制肌肉驅(qū)動器的收縮，使得水凝膠支架發(fā)生非對稱變形，最終通過支架與基底間產(chǎn)生的非對稱摩擦力使機器人得以運動。

圖1 該機器人的制造和優(yōu)化示意圖

圖2 雙足機器人的轉(zhuǎn)動和多個機器人的運動控制

參考文獻：
Kim Y, Yang Y, Zhang X, et al. Remote control of muscle-driven miniature robots with battery-free wireless optoelectronics[J]. Science Robotics, 2023, 8(74): eadd1053.