机器人专家的目标是模仿自然生物实体已经实现的行为,比如移动、适应环境或感知。除了传统的刚性机器人,软机器人领域最近出现了使用柔顺、灵活的材料,能够比刚性机器人更有效地适应环境。带着这个目标,科学家们一直在研究生物混合机器人或生物机器人。这些支架通常由肌肉组织(心脏或骨骼)和能够爬行、抓取或游泳的人造支架组成。不幸的是,目前的生物机器人无法在移动性和力量方面模仿自然实体的表现。

研究人员通过使用生物工程工具克服了这一挑战。他们应用了3D生物印刷厂和工程设计,以便在厘米范围内开发生物波,可以像前所未有的速度一样游泳和海岸游泳。关键是使用肌肉细胞基材料的自发性收缩,具有非常柔顺的骨架。

研究人员没有使用硬支架或固定支架来制备人工机器人,而是使用了基于柔性蛇形弹簧的生物机器人,这种弹簧由一种名为PDMS的聚合物制成,该聚合物经过模拟设计和优化,然后使用3D打印技术打印出来。这种创新支架的优势在于,通过自发收缩时的机械自我刺激,可以改善组织的训练和发展,由于弹簧的恢复力,可以创建一个反馈回路。这种自我训练事件导致驱动增强和更大的收缩力。这种蛇形弹簧以前从未被用于软体机器人的生活系统中。除了自我训练的能力,基于骨骼肌细胞的生物混合游泳者的速度比目前基于骨骼肌的生物机器人快791倍,与其他基于心肌细胞的生物游泳者(基于心脏细胞)相当。

新的生物机器人还能执行其他动作。当被放置在接近海底表面时,它们能够滑行,类似于某些鱼类的游泳方式,其特点是偶发的爆发之后是滑行阶段。

该工作也应用于药物传递和仿生假肢的发展。

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运动设计杂志

本文首次发表于《华尔街日报》2021年6月号运动设计杂志。

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