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類(lèi)生命機(jī)器人發(fā)展與未來(lái)挑戰(zhàn)

類(lèi)生命機(jī)器人系統(tǒng)有望集生命體的優(yōu)點(diǎn)和機(jī)電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)于一身，已成為當(dāng)今機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。 1.類(lèi)生命機(jī)器人類(lèi)生命機(jī)器人，又稱(chēng)為生物機(jī)器人、生物融合機(jī)器人、生物混合機(jī)器人等，是一種將生命系統(tǒng)與機(jī)電系統(tǒng)在分子、細(xì)胞和組織尺度進(jìn)行深度有機(jī)融合的新的機(jī)器人系統(tǒng)。這種機(jī)器人系統(tǒng)有望集生命體的優(yōu)點(diǎn)（如高能量效率、高功率質(zhì)量比和高能量密度）和機(jī)電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)（如高精準(zhǔn)性、高強(qiáng)度、良好的可重復(fù)性和可控性）于一身。類(lèi)生命機(jī)器人已經(jīng)成為當(dāng)今機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并且在過(guò)去十年中取得了重要的突破。 ?類(lèi)生命機(jī)器人系統(tǒng)優(yōu)勢(shì) 2.類(lèi)生命·緣起較為早期的類(lèi)生命機(jī)器人報(bào)道于2005年。該機(jī)器人的研究者通過(guò)采用可自主收縮的心肌細(xì)胞作為驅(qū)動(dòng)單元，實(shí)現(xiàn)了類(lèi)生命機(jī)器人單一方向的運(yùn)動(dòng)。這就是類(lèi)生命機(jī)器人系統(tǒng)的雛形。 ?心肌細(xì)胞驅(qū)動(dòng)下的微器件移動(dòng)示意圖隨后，研究者采用收縮可控的活體生物材料，使得類(lèi)生命機(jī)器人具有單一的運(yùn)動(dòng)可控性。近年來(lái)，為了使類(lèi)生命機(jī)器人具有一定的執(zhí)行功能，通過(guò)引入機(jī)器人設(shè)計(jì)方法和控制理論，使類(lèi)生命機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和方向具有可控性。 3.常用的活體生物材料為了實(shí)現(xiàn)類(lèi)生命機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)、感知及能量供給等功能，不同活體生物材料已經(jīng)被應(yīng)用于類(lèi)生命機(jī)器人研究中，如心肌細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞、昆蟲(chóng)背血管組織和鞭毛型游動(dòng)微生物等。每種生物材料都有其獨(dú)特的性能。心肌細(xì)胞心肌細(xì)胞具有自發(fā)收縮的特性，其收縮主要由肌纖維膜上特殊離子通道中的一系列特殊離子流產(chǎn)生的動(dòng)作電位所引發(fā)。單個(gè)心肌細(xì)胞收縮力最少可達(dá)1μN(yùn)，而心肌細(xì)胞簇能夠產(chǎn)生1~4kPa的收縮應(yīng)力。由于心肌細(xì)胞可以在沒(méi)有任何外界輔助的情況下產(chǎn)生自發(fā)、有節(jié)律的收縮運(yùn)動(dòng)，因此利用心肌細(xì)胞制造類(lèi)生命機(jī)器人相對(duì)容易。但同樣因?yàn)樾募〖?xì)胞可以自發(fā)收縮，使研究人員難以精準(zhǔn)控制其收縮時(shí)間及幅值，因此使心肌細(xì)胞驅(qū)動(dòng)類(lèi)生命機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制成為難題。 ?心肌細(xì)胞驅(qū)動(dòng)微型類(lèi)生命游動(dòng)機(jī)器人在低雷諾數(shù)液體環(huán)境中游動(dòng) 骨骼肌骨骼肌可以在神經(jīng)系統(tǒng)刺激或者是外界電脈沖刺激的情況下可產(chǎn)生高達(dá)400 μN(yùn)收縮力。因此，研究者已將電脈沖刺激引用到組織工程骨骼肌驅(qū)動(dòng)類(lèi)生命機(jī)器人的控制研究中。目前，如何進(jìn)一步提高活體生物材料的收縮力成為了研究熱點(diǎn)。研究者已采用多種不同的方法來(lái)提高組織工程骨骼肌的分化和收縮特性。背血管組織背血管組織是另一種可以作為類(lèi)生命機(jī)器人生物驅(qū)動(dòng)器的活體生命材料。這種生物材料能夠進(jìn)行自發(fā)、有節(jié)律的收縮，也可在外界條件刺激下控制收縮，并且不需要像培養(yǎng)哺乳動(dòng)物細(xì)胞那樣嚴(yán)格的培養(yǎng)條件。由于其具有較好的尺寸特性、收縮力、魯棒性以及控制特性，作為活體生物驅(qū)動(dòng)器，昆蟲(chóng)背血管組織已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到類(lèi)生命機(jī)器人研究中。微生物微生物具有自驅(qū)動(dòng)和自感知外界刺激而產(chǎn)生響應(yīng)的功能，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于類(lèi)生命機(jī)器人的研究中，如鞭毛細(xì)菌、滑動(dòng)細(xì)菌、原生動(dòng)物和藻類(lèi)等。這些可運(yùn)動(dòng)的微生物依靠自身的動(dòng)力在液體環(huán)境或基底移動(dòng)；其分子馬達(dá)通過(guò)消耗環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)（如葡萄糖）就可以產(chǎn)生充沛的動(dòng)力。基于微生物對(duì)外界環(huán)境刺激的響應(yīng)特性，單個(gè)或群體微生物的運(yùn)動(dòng)可由不同的方法所控制，如化學(xué)刺激、磁場(chǎng)刺激、電場(chǎng)刺激、光刺激、溫度刺激及氧刺激。基于微生物的類(lèi)生命機(jī)器人除了具有尺寸小、運(yùn)動(dòng)可控外，其最主要的優(yōu)點(diǎn)在于其環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)。 ?一款用于抗癌藥物輸送的鞭毛細(xì)菌驅(qū)動(dòng) 微型類(lèi)生命生物醫(yī)藥機(jī)器人 4.常用的非生命材料及其加工方法非生命材料是類(lèi)生命機(jī)器人的重要組成部分，為活體生物材料提供骨架支撐、生長(zhǎng)環(huán)境以及黏附表面。非生命材料的機(jī)械特性更是會(huì)影響機(jī)器人的整體性能，如浮動(dòng)、形變及運(yùn)動(dòng)速度；而其微結(jié)構(gòu)、楊氏模量、親水性、生物兼容性以及電導(dǎo)性等也會(huì)影響活體生物材料的生長(zhǎng)狀態(tài)，如黏附性、增值特性、分化特性、排列性和肌細(xì)胞收縮性等。常用的非生命材料包括結(jié)構(gòu)材料（如PDMS、水凝膠、樹(shù)脂材料和SU-8）及生長(zhǎng)材料（如基質(zhì)膠、纖維蛋白原、纖維鏈接素蛋白和膠原蛋白）。不同的非生命材料具有不同的生物和物理特性，從而它們需要不同的加工制造使能技術(shù)，如鑄造法、表面旋涂法、切割薄膜法和3D打印法等。通過(guò)結(jié)合多種不同性質(zhì)的材料，如硬質(zhì)材料、軟體材料以及導(dǎo)電材料，可提高機(jī)器人在感知、智能及驅(qū)動(dòng)方面的功能。因此，科學(xué)家發(fā)明了多種材料復(fù)合3D打印技術(shù)，用來(lái)促進(jìn)類(lèi)生命機(jī)器人的發(fā)展。 ?采用3D打印機(jī)制作由多種非生命材料與活體心肌細(xì)胞相結(jié)合的器件 5. 控制方法可控性是可執(zhí)行任務(wù)的類(lèi)生命機(jī)器人的重要屬性。 >>電刺激控制方法優(yōu)勢(shì)：優(yōu)化活體生物材料狀態(tài)；促進(jìn)細(xì)胞增值、成熟及分化；控制肌細(xì)胞或組織的收縮運(yùn)動(dòng)；控制細(xì)菌等微生物的運(yùn)動(dòng)方向；具有較高的時(shí)間分辨率。劣勢(shì)：空間分辨率低。要想解決這一劣勢(shì)，需要將刺激電極集成至基底，或使刺激電極與被控制的細(xì)胞或組織直接接觸，但可能造成活體生物材料損傷。 >>光刺激控制方法優(yōu)勢(shì)：時(shí)間、空間分辨率較高。劣勢(shì)：有些光源和會(huì)聚光，如紫外線，會(huì)造成細(xì)胞和微生物等活體生物材料的DNA或蛋白質(zhì)損傷。 >>化學(xué)刺激控制方法優(yōu)勢(shì)：具有自動(dòng)控制功能。劣勢(shì)：時(shí)間和空間分辨率都很低；具有潛在毒性；當(dāng)類(lèi)生命機(jī)器人距化學(xué)源較遠(yuǎn)時(shí)，隨著擴(kuò)散距離的增加，化學(xué)濃度將快速降低，控制作用隨之減弱。 >>磁力控制方法優(yōu)勢(shì)：無(wú)毒性，非接觸，高穿透力。劣勢(shì)：需要采用復(fù)雜的控制設(shè)備和算法才能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。 6. 類(lèi)生命機(jī)器人研究面臨的挑戰(zhàn) >>缺乏類(lèi)生命感知與智能研究在類(lèi)生命驅(qū)動(dòng)研究中，采用活體心肌細(xì)胞和骨骼肌細(xì)胞作為驅(qū)動(dòng)單元；基于同樣的原理，我們亟需探索采用活體生物材料實(shí)現(xiàn)的類(lèi)生命機(jī)器人感知與智能功能。 >>缺乏活體生物材料對(duì)于具有驅(qū)動(dòng)、感知等功能的活體生命材料的研究應(yīng)引入新的科技手段，如生物融合及基因工程的技術(shù)。 >>缺乏活體生物材料的長(zhǎng)期生命維持技術(shù) 亟需探索可以制作具備生命體所需的培養(yǎng)環(huán)境的類(lèi)生命機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)新型材料及相應(yīng)的加工方法（如智能生物材料、4D打印技術(shù)以及恒溫系統(tǒng)等）。 >>控制方法存在缺陷亟需探索可應(yīng)用于多重復(fù)雜環(huán)境的類(lèi)生命機(jī)器人通用控制方法。 >>缺乏信息獲取、處理及信息接口技術(shù) 智能機(jī)器人的信息接口技術(shù)是機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)。然而，目前有關(guān)類(lèi)生命機(jī)器人信息技術(shù)方面的研究工作很少。信息技術(shù)的引入將有可能促進(jìn)類(lèi)生命機(jī)器人的高速發(fā)展。此外，類(lèi)生命機(jī)器人感知模塊、信息處理單元以及驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的集成研究也將是未來(lái)類(lèi)生命機(jī)器人所面臨的重大挑戰(zhàn)。

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