【仿生机器人】生物合成机器人开辟仿生机器人新途径
【据中船综合院综合报道】传统的机器人一般是由金属或塑料制成，这种最基本的机器人由硬质材料构成。当机器人走出实验室，更多地应用于日常生活和生产，这种僵硬的系统容易给人带来安全隐患，如工业机器人容易给人带来擦伤或碰撞危险。研究人员正在寻找使机器人不像是冰冷僵硬的机器，而像是动物一样更“柔软”，更顺从的解决方案。
对于传统的执行机构，如发动机，可使用空气肌肉或加装平行于发动机的弹簧系统，例如在轮腿机器人的发动机和轮腿直接加装弹簧可以在机器人冲向人时吸收能量，使人免受伤害。
然而，通过结合机器人学和生物组织工程学，科学家开始构建以活体肌肉、组织或细胞为动力的机器人。这些装置可以响应电信号或光信号，使细胞控制骨架活动，使机器人进行游泳和爬行等动作。由此获得的生物机器人可以向动物一样运动，并且质地柔软。相较于传统机器人，它们更安全无害。如同动物一样，这种机器人通过吸收营养为肌肉提供动力，而非使用电池，因此生物合成机器人质量更轻。
构建生物机器人
研究人员构造生物机器人，通常使用鼠或鸡的心脏或骨骼肌肉，在对细胞无毒的支架上进行生长。如果基材是聚合物，则制造的装置为生物合成机器人——自然和人造杂化材料。
如果未经引导只是将细胞放置在骨骼模具上，细胞将在随机方向上生长，当施加使其运动的电刺激时，细胞将在所有方向上收缩，使装置变得没有效率。研究人员通过微缩成像控制细胞动力，在基体骨架上打印出细胞倾向于依附生长的微线条。这些线条引导细胞生长，并沿着打印出的图形聚集。当这些细胞排列整齐后，研究人员可以管理细胞施加在基体上的收缩力，进而可以使细胞和谐工作，使装置移动。
动物启发的生物合成机器人
研究人员已经使用如皮肤胶原等自然材料创出造完全有机的机器人外体。一些机器人通过外部电场刺激可以进行爬行或游泳，一些从医学组织工程技术获得灵感，使用长矩形臂（或悬臂）来推动自身向前运动。还有一些机器人从自然界中获得启示，创造出生物合成机器人。例如，加州理工学院研究者们开发了一种受水母启发的生物合成机器人，该机器人具有排列成环状的手臂，每个手臂都是以经过微成型的蛋白质线条为基体，细胞在其上生长，形成类似水母的“肌肉”。当这些细胞收缩，手臂会向内弯折，使生物合成机器人在营养液中向前推进。
近期，研究人员已发现控制生物合成机器人的方法。哈佛大学的研究团队使用基因改进心脏细胞的方法驱动一个仿蝠鲼机器人游泳。心脏细胞被改造成可以响应特殊频率的光并发生收缩，一边的蝠鲼细胞可以响应一种频率，另外一边可以响应另外一种频率。当研究者在机器人前方光照，细胞收缩并沿着蝠鲼机器人身体发出电信号，收缩将在机器人身体中传播，使其向前移动。研究者还可以通过变化光照频率使机器人向右或向左拐弯。细胞收缩的强度与光照强度成正比，这样就可以控制机器人的运动。
仍待加强的生物机器人
虽然生物合成机器人领域取得了巨大的突破，但距离其走出实验室仍有很多工作要完成。当前的生物合成机器人存在寿命短、输出力低、速度慢、完成任务能力弱等问题。哺乳动物或鸟类细胞制得的机器人对环境要求非常苛刻。如需要周围环境温度必须接近生物体温度，且细胞需要在营养液中。一种接近方法使将整个部件封装在一起，保证肌肉得到保护，并处于营养物之中。
另外一种方法使使用更强壮细胞作为执行机构。2016年7月，凯斯西储大学（Case Western Reserve University）在该领域有了突破，它们打造出一款生物合成机器人。这款机器人由海参的肌肉组织与3D打印的零部件结合而成，只要用外部电流对海参肌肉进行电击，生物合成机器人就能动起来。不过，该机器人每分钟只能走0.43厘米。然而，这款机器人在耐久力方面无人能及，未来可完成普通机器人无法完成的任务。同时，将传统机器人上的机械部件换成肌细胞，也意味着机器人可以像动物一样从自然环境中获取能量。此外，这款机器人的有机特性还让它可以在退役后自然降解，不会污染环境。
研究人员选用这种产自加州的海参就是看中了其超强的韧性，它可以在不同的温度和水质中存活，生存能力极强。这种生物合成机器人继承了生物和机器双方的优点，可以完成那些看似不可能完成的任务。未来，除了不断克服机器和肌肉结合的挑战，研发人员还需要打造一个切实可行的控制系统。据悉，下一步他们会尝试将海参的中枢神经连上机器人，打造一套生物控制装置。（中国船舶工业综合技术经济研究院 志伟）
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（文章来源：国防科技信息网，图片来源：中国航空新闻网）
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