体外骨骼肌驱动，魔鬼鱼实现可控游动

（图片由中国科学院沈阳自动化研究所提供）

科普时报记者 李 禾

大自然的动物为机器人的发展提供了想象力的空间。近日，中国科学院沈阳自动化研究所类生命机器人研究团队，以蝠鲼为设计灵感，研发了一种体外培养的骨骼肌组织驱动、环形分布多电极（ＣＤＭＥ）控制的类生命游动机器人。这种机器人仅由一块肌肉组织驱动就可实现有效推进。

在浩瀚无边的海洋里，被称为“魔鬼鱼”的蝠鲼几乎能毫不费力地在水中滑翔，甚至在湍急水流中敏捷地来回游动。

仿生学是机器人研究的重要方法之一，通过模仿自然生物的结构和行为来提高机器人的运动学性能。而类生命机器人以天然生物材料为机器人核心要素，是仿生学的进一步发展。一些活体细胞已经被用于实现机器人的部分功能，包括感知、控制、驱动等，其中驱动作为决定其性能的关键因素，关系到机器人的整体性能，然而要进一步发展类生命机器人的可控运动性能，还需要创新推进方式和控制方法。针对以上难题，研究团队提出了一种基于ＣＤＭＥ的动态控制方法。

研究团队发现，ＣＤＭＥ产生的电场对培养基和细胞的伤害要比传统平行板电极要小，并且使用该方法可动态控制所产生的电场方向，使其与机器人的驱动组织保持实时平行，进而保证机器人稳定的可控性。

根据蝠鲼的结构，研究团队设计了机器人的本体骨架，并选用聚二甲基硅氧烷作为结构的主要材料。研究团队将驱动组织和机器人骨架结构进行装配，选择了以成肌细胞为核心所制造的环形组织作为机器人的驱动部分。

为获得具有有效收缩力的环形肌肉组织，研究团队利用ＣＤＭＥ的旋转电刺激，实现成肌细胞向可收缩肌管的均匀诱导分化。研究团队分析了机器人的运动性能与驱动组织收缩力之间的关系，在装配机器人之前测量了在不同电刺激下肌肉组织的收缩力，用来控制机器人按照理想的速度游动。

在实验中，机器人展示了有效的游动和稳定的可控性，验证了研究团队提出的仿生设计和基于ＣＤＭＥ控制方法的有效性。

这项研究论文指出，仿生设计与驱动控制方法不但可以促进类生命机器人的进一步发展，而且对软体机器人的仿生设计、肌肉组织工程等相关领域也有一定的潜在指导意义。不过现阶段的类生命机器人虽然已实现了有效的可控运动，但仍有许多关键的瓶颈需要突破。例如，所制造的机器人尺寸大多为厘米级，难以应用于体内药物运输等场景，因此面向微纳生物结构的３Ｄ打印、柔性操作等技术是开发应用于临床等特殊环境的类生命微型机器人的关键。此外，现有的类生命机器人大多依靠外部人工刺激实现可控运动，缺乏自主性，因此基于活体细胞的感知与控制方法，可应用于类生命机器人研究，进而实现基于环境信息感知的机器人自主运动。

该项研究成果近日在国际科技期刊《类生命系统》上发表。