类生命机器人发展与未来挑战.docx
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1、一、引言近些年来,随着社会需求的不断提高,机器人己成为现代社会不可或缺的一部分,并且在不同的领域扮演着重要的角色。在20世纪50年代,第一代以液压驱动系统为主体的工业机器人问世。而后,随着机电技术与信息技术的发展,以机电系统为主体的工业机器人得到广泛应用。同时,包括医疗机器人、服务机器人、仿生机器人及仿人机器人在内的不同种类机器人吸引了众多研究者的目光。然而,尽管经过数十年的努力,一些阻碍机器人发展的关键性问题仍然没有得到很好的解决。目前大多数机器人均由机电系统组成,其主要驱动力由电能转换而来,因此大幅度降低了系统的能量利用率。有报道指出,传统的机电系统在能量转换过程中会产生大量的热损失,因此
2、有效机械能仅占所消耗全部能量的30%以下。此外,大多数基于机电系统的传统机器人由金属、导线以及其他硬质材料所构成。这意味着使用这些人工材料和结构的机器人可能缺乏本质安全性、灵活性以及在人机交互应用中的适应性。生命材料本身具有很多优点是人工材料难以达到的。例如,对于人机协同作业来说,大多数生物材料具有所需的柔软性和安全性。并且,生物肌肉可以直接利用化学能,因此,只要在其所处环境中提供合适的营养,这些生物肌肉就可以将化学能直接以较高的效率(50%)转换为运动所需的机械能,而这么高的能量利用率是电动机等非生命驱动器难以达到的。同时,活体生物材料还具有环境自适应、自修复和自组装功能。除了在驱动方面以外
3、,活体生物材料在感知和智能方面也同样具有显著的优势,以现有的科技水平,这些巧妙的系统是很难用人工材料复制的。因此,将生命系统与机电系统在分子、细胞和组织尺度进行深度有机融合,形成一种新的类生命机器人系统,有望集生命体的优点(如高能量效率、高功率质量比及高能量密度)和机电系统的优势(如高精准性、高强度、良好的可重复性和可控性)于一身(图1)。由于这种类生命机器人系统具有比以机电系统为主体的传统机器人更为优越的特性,因此,发展这种新类型的类生命机器人(也被成为生物机器人、生物融合机器人、生物驱动器等)研究已经成为当今机器人领域的研究热点,并且在过去十年中取得了重要的突破。1.ivingbiolog
4、icalsystemNon-livingsystemIntrinsicsafetyHighenergyefficiency1.argeenergystorageIntelligentsensingSelf-actuationSeIUepairingHighaccuracyHighstrengthFavorablerepeatabilityCcxitrollabilityArtificialmodifiablityEasyfabrication图1.活体生物系统与机电系统在不同尺度的深度有机融合形成类生命机器人系统。在本文中我们回顾了现有的类生命机器人的相关研究,包括心肌细胞驱动机器人、骨骼肌细
5、胞驱动机器人以及游动细胞驱动机器人,并且我们分别从不同的角度总结了类生命机器人的发展。首先,关于类生命机器人性能的不断拓展,我们做了详细的总结。类生命机器人的功能随着材料、加工方法和控制方法的进步而不断发展。并且,针对于应用于类生命机器人的活体生物材料的特性我们做了详细的总结,包括细胞驱动力、生物材料的尺寸以及活体材料的可控性。而由于类生命机器人所采用的非生命材料不但关乎活体生命材料的性质,如细胞分化、驱动力及生长状态,同时也影响整个类生命机器人的性能,如运动速度、执行力及操控性能。因此本文对目前应用于类生命机器人的非生命材料进行了详细的总结。而后,本文针对于目前类生命机器人所采用的控制方法,
6、如电脉冲刺激、光刺激、温度刺激和化学刺激进行分析,并分别对各种控制方法的特性进行详细讨论。此外,针对于不同种类的类生命机器人,如行走机器人、游动机器人以及操作机器人,本文也做了详细的总结。最后,本文详细讨论了类生命机器人未来发展中的潜在挑战。二、类生命机器人发展回顾在过去的十几年间,研究者经过不断的努力,使得类生命机器人研究领域取得了快速的发展。其中一类最为简单的类生命机器人,基于其非对称结构,在具有自发收缩性的心肌细胞驱动下可实现单一方向的运动。随后,采用收缩可控的活体生物材料,使得类生命机器人具有单一的运动可控性。近年来,为了使类生命机器人具有一定的执行功能,通过引入机器人设计方法和控制理
7、论,使类生命机器人的运动速度和方向具有可控性。表1详细列举了心肌和骨骼肌细胞驱动的类生命机器人的发展历程。表I基于肌肉细胞的类生命机器人的发展TimcDescriptionBiomatcrialsNon-livingmaterialsFunctionsParametersPartialcontrolmethodsRef.2005WalkerCardiomyocytesSiIicon9CrZAuWalking,spontaneitySpeed:38m-s,Nocontrol15120073DfilmCardiomyocytcsPDMSGripping,pumping,walk-Speed:3mm
8、min,Electriccontroll6)ing.swimming*spontaneityForce:4mNmm22009ManipulatorDVtissuePDMSDeflection,robustness.Deflection:60mNocontrolspontaneity,workinginairForce:100NFrequency:0.5Hz2011DeviceC2CI2Silicon,collagenDisplacementDisplacement:8mElectriccontrol182012WalkerDVtissuePDMSWalking,robustness,spon-
9、Speed:3.511rs1Nocontrol19tancityForce:20N2012WalkerDVtissuePDMSWalking,robustness,spontaneitySpeed:532ms,Chemicalcontrol20)2012WalkerCardiomyocytcsHydrogclWalking,spontaneitySpeed:236m-s,Nocontrol22012SwimmerCardiomyocytesPDMSSwimming,spontaneitySpeed:2.4nuns,Electriccontrol222013ManipulatorC2CI2PDM
10、S,GelatinReflectionReflection:5mHumanskinelectrical(23signalcontrol2013ManipulatorDVtissuePDMSDeflection,robustness.Deflection:250mNocontrol24)spontaneity,workinginairWorking5daysinair2014WalkerOptogeneticsHydrogel.Matrigel.fibrinWalkingSpeed:I56ms,Opticalcontrol25C2CI2collagen2014SwimmerCardiomyocy
11、tcsPDMSMovementinalowReynoldsnumberenvironment,spontaneitySpeed:81ms,Nocontrol262016SwimmerCardiomyocytcsPDMS.micro-balloons,nickelpowder,magneticSwimming,spontaneity,stabilitySpeed:142m,岑回士程院院物力particles2016Swimmer1211uclcfromPtxrtocuraMcresin.CoIIa*Si11vningSpeed:4.3nunmin,ElectricCOaCrOl网thebucca
12、lInofgenisolatedfromForce:58.5mNAplyyiaIheptasusiin2016WaactOtofcncticHydrogel.Mjtrigel.fibrmWalkingSpeed:3IOmx,OptioJcontrol1)C2CI2collagen2016SwimmerOfctIdiomyoc,yunct)DisUnce:250mm2017WalkerNcuronuBcuIarRxtocurabkPillWalkmgSpeed:0.54Cw,_,平均步频为1.8Hz。而后,日本大阪大学的研究者展示了一款多足的可自主行走的类生命机器人。这种机器人由可自发产生收缩运
13、动的活体昆虫背血管组织驱动,并且这种活体生物材料具有广泛的温度适应性,从而拓宽了类生命机器人的应用环境。该类生命机器人由采用铸造方法得到的聚二甲基硅氧烷(PDMS)结构与取自于尺蟆的昆虫背血管组织装配而成,其总体尺寸为12.5mm长、1.35mm宽、0.2mm厚。当将整个类生命机器人在培养基中培养10天后,该活体背血管组织可产生自发、有节律的跳动,其收缩力可达20处1,在此驱动力作用下类生命机器人可以3.5nms的速率行走。动作可受外界刺激控制的生物材料,如心肌细胞和骨骼肌细胞,其收缩力、频率和幅值可由外界物理化学因素所控制,因此可作为受控活体生物驱动器实现运动可控的类生命机器人。基于活体生物
14、材料本身的或修饰的特性,电脉冲刺激、光刺激、化学刺激以及磁场刺激等不同方法可应用于类生命机器人的控制研究。例如,美国哈佛大学的研究者展示了一款有心肌细胞组织和PDMS薄膜所组成的类生命机器人。为通过控制细胞在二维平面的空间分布提高心肌细胞组织的驱动性能,他们采用了细胞外基质蛋白(纤维连接素蛋白)使细胞在PDMS薄膜上图形化生长。此外,他们还采用了温敏水凝胶(PlPAAm)来实现薄膜从基地的自动释放,从而形成三维类生命机器人。在以幅值为10V、脉宽为IomS的电脉冲刺激作为控制信号时,该心肌细胞组织层能够产生%lNmm-2的收缩力,从而驱动类生命机器人展示多种不同的功能,如抓取、泵液、行走及以3
15、mmmirr】的速率游动。而后,美国伊利诺伊大学香槟分校的研究者采用骨骼肌组织工程技术实现了一款运动可由外加电脉冲控制的骨骼肌驱动类生命机器人。他们根据机器人的设计尺寸及所需求的水凝胶材料性能,采用三维立体光固化打印技术实现了类生命机器人本体结构制作。为增强组织工程骨骼肌的驱动性能,研究者在细胞培养过程中加入了胶原蛋白、纤维蛋白细胞外基质蛋白、胰岛素样生长因子,从而提高骨骼肌的增长和分化。当成肌细胞分化形成可收缩运动的肌管组织后,在外界电脉冲刺激的控制下,组织工程骨骼肌中的肌管可产生受控的收缩力,从而驱动类生命机器人以156NsT的最大速率行走。此外,他们还通过建模与仿真的方法研究了不同设计参
16、数的类生命机器人的运动机理和性能。而最近,研究者开始尝试完全通过生物物理机制控制类生命机器人的运动方向的研究。例如,哈佛大学的研究者根据鲸鱼的解剖学和形态学结构制作了一款由心肌细胞组织驱动的仿生类生命机器人。该组织工程的仿生鲸鱼能够在光刺激控制下进行游动和转弯。为实现类生命机器人的仿生结构,该研究采用了多层不同配比的PDMS薄膜与金属骨架相结合,其中金属骨架的作用是提高机器人结构的形状保持特性。为模拟鳏鱼的游动特性,根据鳏鱼的肌肉组织结构,他们采用微米印章技术在仿生鲸鱼的鱼鳍上图形化覆盖纤维连接素蛋白,从而使细胞图像化生长,实现特定回路的心肌细胞组织。将心肌细胞与该仿生机器人结构共同培养直至心
17、肌细胞形成可自主节律跳动的组织,通过溶解葡聚糖牺牲层实现类生命机器人的无损释放。进而,通过控制在仿生机器人鱼鳍上的光刺激位置使得该机器人能够进行避障游动。三、类生命机器人所采用的活体生物材料为充分利用生命体的特殊性能,不同活体生物材料已经被应用于类生命机器人研究中,从而实现类生命机器人优越功能,如驱动、感知及能量供给。在现有的类生命机器人研究中,常用的活体生物材料有心肌细胞、骨骼肌细胞、昆虫背血管组织、鞭毛型游动微生物以及其他可驱动生物材料。针对于各自的应用场景,每种生物材料都有其独特的性能。(一)心肌细胞心肌细胞具有自发收缩的特性,其主要由肌纤维膜上特殊离子通道中的一系列特殊离子流产生的电刺
18、激所引发。一个成熟的心肌细胞的长度可达100m,一个心肌细胞层的长度可达到毫米甚至厘米量级。一旦单个心肌细胞之间生长至发生接触,细胞之间的润盘将连接细胞间的动作电位,从而实现多细胞同时自发收缩跳动。单个心肌细胞收缩力最少可达lN,而心肌细胞簇能够产生14kPa的收缩应力,其相当于活体心肌所产生的应力。研究表明,心肌细胞组织的收缩力与心肌细胞的密度有关。然而,为了心肌细胞产生更大的驱动力,需要采用基质胶和水凝胶等生物兼容性材料,使心肌细胞形成工程化三维肌肉组织。除自发收缩运动之外,心肌细胞的收缩频率和收缩力也可由不同外界刺激因素所控制,如电脉冲刺激、光刺激及化学刺激。介于单个心肌细胞的尺寸为10
19、0m左右,以及其具有可自主收缩的特性,单个心肌细胞可作为百微米级尺度微型机器人的在体驱动器。例如,美国伊利诺伊大学香槟分校的研究者制作了一款由可自发运动的心肌细胞驱动的可在低雷诺数液体环境游动的微型自驱动类生命游动机器人。为获得微型仿生精子机器人本体结构,他们采用了独特的加工方法:首先,采用干法刻蚀技术在硅片上形成微结构模具,然后,利用毛细牵引力将未固化的PDMS溶液灌入模具中。烘烤过后,硅模具与PDMS结构一同浸泡在酒精中,利于软体微结构从模具中释放。然后,将PDMS微结构从模具中手动剥离,并将其转移至35mm无菌培养皿中。为使仿生类生命机器人具有活体精子的游动特性,研究者采用明胶掩模、纤维
20、连接素蛋白和F127凝胶实现PDMS微结构的选择性功能化处理,从而实现心肌细胞在微结构上的选择性黏附,进而达到定点驱动的目的。当心肌细胞与PDMS微结构共培养23天后,心肌细胞可产生自发收缩运动,从而驱动微型仿生类生命游动机器人以最大81ms-1的速率游动。由于心肌细胞可以在没有任何外界辅助的情况下产生自发、有节律的收缩运动,因此利用心肌细胞制造类生命机器人是相对容易的。但是同样也是因为心肌细胞可以自发收缩,使得精准控制其收缩时间及幅值成为困难,因此也影响心肌细胞驱动类生命机器人的运动控制。(二)骨骼肌细胞骨骼肌可以在神经系统刺激或者是外界电脉冲刺激的情况下产生收缩力。因此,研究者已将电脉冲刺
21、激引用到组织工程骨骼肌驱动类生命机器人的控制研究中。骨骼肌细胞可以产生比心肌细胞更大的收缩力,其驱动力可达400N0通常情况下,可产生收缩力的肌管是由成肌细胞在马血清的诱导下分化而成的。为提高活体生物材料的收缩力,研窕者已采用多种不同的方法提高组织工程骨骼肌的分化和收缩特性,如电脉冲刺激、物理刺激、光遗传学处理及刺激、化学刺激、磁场刺激以及生物调节。这些研究表明,以上所提到的这些方法可以提高肌管的分化效率、肌管排列性、肌管收缩力以及肌管的成熟度。例如,日本东北大学的研究者提出一种插指式钳金电极,从而提高工程化肌肉组织的生长。为得到三维排列的工程化肌肉组织,他们在钳金电极基底上加工了带有微沟道的
22、合成水凝胶结构。细胞与电极共同培养后,采用幅值为6V、频率为1Hz、宽度为IOmS的电脉冲进行持续一天的刺激,而后对所分化得到的肌管进行性能及基因表达的测量与分析。实验结果表明,相比于传统的钳丝电极,他们所提出的钳金插指式电极基底更有助于工程化骨骼肌组织的生长及成熟。尤其在肌管的排列性方面,采用所提出的插指电极所诱导的肌管具有较高的排列性(约为80%),而采用传统的钳丝电极所诱导的肌管则具有较低的排列性(约为65%)O此外,与传统钳丝电极相比,采用所提出的插指式电极所诱导的肌管具有更大的覆盖面积、更长的肌管长度、更多的肌肉转录因子以及更多的肌肉标志性蛋白。由于工程化的骨骼肌组织具有较心肌细胞更
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