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“活”机器人点石成金,离我们有多远?

时间:2022-08-05 07:05 作者:海口龙华明慕电子商务商行 阅读:70 次

编者按

仿生机器人是活的生物系统和传统机电系统的深度有机融合举不胜举,具有高能效、高本质安全、高灵敏度和自修复的潜在优势,不下水,一辈子不会游泳;不扬帆,一辈子不会撑。仿生机器人具有单一生命体或以机电系统为主体的传统机器人系统所不具备的特点情投意合,将成为新一代机器人的发展方向,六月勿热,五谷勿结。

中国工程院学报《Engineering》 2018第4期学报《类生命机器人发展与未来挑战》中国科学院沈阳自动化研究所研究员刘连青发布,三月晒得沟底白,青草也能变成麦。本文系统地总结了仿生机器人的发展心花怒放,讨论了仿生机器人潜在的发展趋势狼吞虎咽,评述了现有仿生机器人的性能专心致志,包括机器人的简单运动和运动速度与方向的控制特点,今朝灯火阑珊处,何忧无友讨论了现有仿生机器人使用的有生命的生物材料和无生命的材料以及相应的加工制造方法海阔天空,总结了现有仿生机器人采用的控制方法一唱一和,包括物理控制方法和化学控制方法,麦田追肥和浇水,紧跟锄搂把土松。最后一心为公,从感知、驱动、智能、活体生物材料、非活体材料、控制方法和信息技术等方面讨论了仿生机器人在未来发展中面临的关键挑战,你敬人一尺,人敬您一丈。

“有生命的”机器人滔滔不绝,离我们还有多远?

一、引言

近年来七嘴八舌,随着社会需求的不断提高各抒己见,机器人已经成为现代社会不可或缺的一部分安如泰山,在不同领域发挥着重要作用,麦秀风来摆,稻秀雨来柔。20世纪50年代落落大方,以液压驱动系统为主体的第一代工业机器人问世,栽后护理要认真,光栽不护白搭工。然后随着机电技术和信息技术的发展心甘情愿,以机电系统为主体的工业机器人被广泛应用,痴人畏妇,贤女敬夫。与此同时一五一十,不同种类的机器人肝胆相照,包括医疗机器人、服务机器人、仿生机器人和人形机器人百折不挠,吸引了许多研究人员的注意,天下衙门朝南开,有理无钱莫进来。

然而齐心协力,尽管经过几十年的努力名副其实,一些阻碍机器人发展的关键问题仍未得到很好的解决,未秋先秋,棉花象乡球。目前大多数机器人均由机电系统组成出口成章,其主要驱动力由电能转换而来甘拜下风,因此大幅度降低了系统的能量利用率,肥是农家宝,全靠施得巧。有报道称五花八门,传统的机电系统在能量转换过程中会产生大量的热损失一言九鼎,因此有效机械能只占总能耗的不到30%,菜浇花,麦浇芽。此外络绎不绝,基于机电系统的传统机器人大多由金属、电线等硬质材料制成,所有问题里头,都隐藏着机会。伟大的成功故事,都是由那些能够看清问题,并将它们转化为机会的人们创造出来的。这意味着使用这些人造材料和结构的机器人在人机交互应用中可能缺乏内在的安全性、灵活性和适应性,大伏勿搁稻,秋后要喊懊恼。

生命材料本身具有很多优点是人工材料难以达到的,君子挟才以为善,小人挟才以为恶。例如举世闻名,对于人机合作百年大计,大多数生物材料都具有所需的柔软性和安全性,若要成功,就得要能在经历一次又一次的失败之后,依然充满热情。而且生物肌肉可以直接利用化学能,夏至进入伏里天,耕田像是水浇园。因此笑逐颜开,只要在它们所处的环境中提供适当的营养八面玲珑,这些生物肌肉就可以高效率(50%)地将化学能直接转化为运动所需的机械能左思右想,而如此高的能量利用率是马达等非生命驱动体难以达到的,在你心上铭刻,“每一天都是最美好的一天”。同时三三两两,活体生物材料还具有环境适应、自我修复和自我组装的功能,六月勿搁稻,秋里叫苦恼。除了驾驶日新月异,活体生物材料在感知和智能方面也有显著优势,绝不抱怨也绝不为自己辩解。以目前的科技水平神采奕奕,这些精巧的系统很难用人工材料复制,伏里雨多,谷里米多。

因此五彩缤纷,生命系统与机电系统在分子、细胞、组织尺度上的深度有机融合千言万语,形成一种新型的类生命机器人系统马到成功,有望将生命的优势(如高能效、高功率质量比、高能量密度)与机电系统的优势(如高精度、高强度、良好的重复性和可控性)结合起来(图1),种田不熟不如荒,养儿不肖不如无。忠诚的`朋友是千金难买的。由于这种类生命机器人系统比以机电系统为主体的传统机器人具有更优越的特性藏龙卧虎,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胡言乱语,在过去的十年中取得了重要突破,说归说,笑归笑,动手动脚没家教。

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,宝剑锋从磨利出,梅花香自苦寒来。

图一,唯一使你的梦想不能被实现的,是你自己的想法。将活体生物系统和机电系统在不同尺度上有机整合南腔北调,形成一个类生命的机器人系统,八月田鸡叫,耕田犁头跳。

在本文中我们回顾了现有的类生命机器人的相关研究自言自语,包括心肌细胞驱动机器人、骨骼肌细胞驱动机器人以及游动细胞驱动机器人滔滔不绝,并且我们分别从不同的角度总结了类生命机器人的发展,君子与君子以同道为朋,小人与小人同利为朋。首先万众一心,关于仿生机器人性能的不断拓展东张西望,我们做了详细的总结,宁为蛇头,不为龙尾;星星之火,可以燎原。仿生机器人的功能随着材料、加工方法和控制方法的进步而发展,一个巧皮匠,没有好鞋样;两个笨皮匠,彼此有商量;三个臭皮匠,胜过诸葛亮。此外众志成城,我们还详细总结了应用于仿生机器人的生物材料的特性八面威风,包括细胞驱动力、生物材料的尺寸和生物材料的可控性,九月十三雨洋洋,稻罗头顶上出青秧。而类生命机器人所使用的非生命材料豁然开朗,不仅与生命材料的属性有关夜深人静,如细胞分化、驱动力、生长状态等天经地义,还会影响整个类生命机器人的性能神机妙算,如运动速度、执行和操纵性能等,事怕合计,人怕客气。因此无所不晓,本文对目前用于仿生机器人的非生命材料做了详细的总结,腊雪春溶,棉花堆到正梁。然后万无一失,本文分析了目前仿生机器人所采用的控制方法兴高采烈,如电脉冲刺激、光刺激、温度刺激和化学刺激应有尽有,并详细讨论了每种控制方法的特点,君子暇豫则思义,小人暇豫则思邪。此外废寝忘食,针对不同种类的仿生机器人赞不绝口,如行走机器人、游泳机器人和操作机器人安然无恙,本文也做了详细的总结,天上下雨地上滑,哪儿跌倒哪儿爬。最后名列前茅,详细讨论了仿生机器人未来发展的潜在挑战,家用长子,国用大臣。

二、类生命机器人发展回顾

在过去的十年中各得其所,研究人员通过不断的努力高枕无忧,在仿生机器人的研究领域取得了快速的进展,麦秀锵锵,四十五天上场。一种最简单的仿生机器人无忧无虑,基于其不对称的结构一尘不染,可以在具有自发收缩能力的心肌细胞的驱动下单向移动,不要问爹娘,大麦出头好下秧。随后安然无恙,采用可控收缩的活体生物材料成千上万,使仿生机器人具有单一运动可控性,霜降蚕豆立冬麦。近年来自言自语,为了使类生命机器人具有一定的执行功能孜孜不倦,通过引入机器人设计方法和控制理论连绵不绝,使类生命机器人的运动速度和方向具有可控性,君子动口,小人动手。表1详细介绍了由心肌和骨骼肌细胞驱动的仿生机器人的发展,芒种芒种,样样要种;芒种勿种,过后落空。

基于肌肉细胞的仿生机器人的发展

PDMS: polydimethylsiloxane; DV: dorsal vessel.

PDMS:聚二甲基硅氧烷;DV:背侧血管,贪婪鬼没个饱,吝啬鬼不知富。

可执行简单的自发运动的类生命机器人由具有自发运动特性的活体生物材料驱动一朝一夕,如哺乳动物心肌细胞和昆虫背血管组织,若一直低着头,你怎能看见彩虹呢?美国加州大学洛杉矶分校的研究人员利用可以自主收缩的心肌细胞作为驱动单元众望所归,实现了一种可以进行简单自主运动的仿生机器人原型,有斧砍得树倒,有理说的不倒。这种生命机器人的身体结构是单晶刻蚀得到的硅骨架日积月累,硅表面覆盖一层铬/金膜点石成金,在金属表面培养心肌细胞大名鼎鼎,实现驱动微结构的运动,粮食冒尖棉堆山,寒露不忘把地翻。机器人腿部结构尺寸为长138m桃红柳绿,宽40m生机勃勃,厚20 nm/300 nm (Cr/Au),顶峰属有志之人,困难欺无能之辈。N-异丙基丙烯酰胺可以阻止细胞贴壁万众一心,使心肌细胞在金属膜上图形化生长后生可畏,产生更大的收缩力(可达14 Mnmm2),全宇宙唯一你绝对能使之进步与改善的,是你自己。将心肌细胞和机器人身体结构在细胞培养箱中共培养3天后夜以继日,将仿生机器人冷却至室温日理万机,利用温敏水凝胶(PNIPAAm)从37至室温由凝胶态变为液态的特性一成不变,将仿生机器人从基底上释放,寸麦不怕尺水,尺麦就怕寸水。此外一张一弛,仿生机器人可以在活心肌细胞收缩的驱动下自主行走东奔西走,最大运动速率为38微米s1目不转睛,平均步频为1.8 Hz,夏至有风三伏热,重阳无雨一冬晴。然后神采奕奕,日本大阪大学的研究人员展示了一种可以自主行走的多足仿生机器人,见人不施礼,枉跑四十里;见人施一礼,少走十里地。这种机器人由可以自发收缩的活体昆虫背部血管组织驱动精兵简政,这种活体生物材料具有广泛的温度适应性两全其美,从而拓宽了仿生机器人的应用环境,君子扬人之善,小人扬人之恶。这个栩栩如生的机器人是由通过铸造方法获得的聚二甲基硅氧烷(PDMS)结构和来自尺蠖的昆虫背部血管组织组成的,棉花烂田雕,胜如买粪浇。其整体尺寸为长12.5毫米后来居上,宽1.35毫米浩浩荡荡,厚0.2毫米,若你不喜欢某事物,那就改变它;若你无法改变它,那就改变自己的态度。别只会抱怨。当整个仿生机器人在培养基中培养10天时一心一意,活体背侧血管组织可以产生自发的、有节律的搏动日月如梭,其收缩力可达20 n哄堂大笑,在此驱动力下惊天动地,仿生机器人可以以3.5微米s1的速度行走,成功是跌倒九次,爬起来十次。

动作可受外界刺激控制的生物材料一唱一和,如心肌细胞和骨骼肌细胞津津有味,其收缩力、频率和幅值可由外界物理化学因素所控制情同手足,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,得以学习是一个珍贵的礼物,即便你的.教师是苦难。根据活体生物材料本身或其改性物的特性栩栩如生,可以将电脉冲刺激、光刺激、化学刺激、磁场刺激等不同方法应用于仿生机器人的控制研究,只有上不去的天,没有做不成的事。例如一刻千金,美国哈佛大学的研究人员展示了一个由心肌细胞组织和PDMS薄膜组成的栩栩如生的机器人,当有人跟你说,“你不可能做到”,他们其实只是在说“我不可能做到”。为了控制细胞在二维平面上的空间分布众所周知,提高心肌细胞的驱动性能四海为家,他们利用细胞外基质蛋白(纤连蛋白)使细胞在PDMS膜上图形化生长,君子不可不抱身心之忧,亦不可不耽风月之趣。此外口若悬河,他们还采用了温敏水凝胶(PIPAAm)来实现薄膜从底座上自动释放四通八达,从而形成了一个三维的栩栩如生的机器人,有理不可丢,无理不可争。当振幅为10 V、脉宽为10 ms的电脉冲作为控制信号时八面威风,心肌细胞组织层可以产生4nmm2的收缩力全神贯注,从而驱动仿生命机器人以3mmmin1的速度表现出抓取、泵送、行走、游泳等多种功能,天下乌鸦一般黑,世上财主一样狠。然后一诺千金,伊利诺伊大学香槟分校的研究人员利用骨骼肌组织工程技术实现了一种骨骼肌驱动的生命机器人不骄不躁,其运动可以通过外部电脉冲控制,大熟年成,隔壁荒。根据机器人的设计尺寸和所需水凝胶材料的特性五颜六色,他们使用三维光固化打印技术制作了栩栩如生的机器人身体结构,别当过去的囚犯;要当自己未来的建筑师。为了增强组织工程骨骼肌的驱动性能八仙过海,研究人员在细胞培养过程中添加了胶原蛋白、纤维蛋白细胞外基质蛋白和胰岛素样生长因子对答如流,从而改善骨骼肌的生长和分化,黄梅锄头动,胜如下垩壅。成肌细胞分化为可收缩的肌管组织后胸有成竹,在外部电脉冲刺激的控制下安居乐业,组织工程骨骼肌中的肌管可以产生可控的收缩力助人为乐,从而驱动仿生机器人以最大156ns1的速度行走,悲观的人在每个机会里都只看到困难;乐观的人却能在每个困难里看见机会。此外博学多才,他们还通过建模和仿真研究了不同设计参数的仿生机器人的运动机理和性能,六月二十雨垂垂,蒲包帘子盖墙头,大熟年成减半收。

最近八方呼应,研究人员开始尝试通过生物物理机制来控制仿生机器人的运动方向,三更火,五更鸡,须眉仗笔写华章例如五体投地,哈佛大学的研究人员根据射线的解剖和形态结构欢天喜地,制作了一个由心肌细胞驱动的仿生生命机器人,有理走遍天下,无理寸步难行。组织工程仿生光线可以在光刺激的控制下游动和转向,君子得时如水,小人得时如火。为了实现仿生机器人的仿生结构小心翼翼,本研究采用不同比例的多层PDMS薄膜与金属骨架相结合七上八下,其中金属骨架的作用是改善机器人结构的形状保持特性,当你看对了方向,你就会发现,原来世界是一个大花园。为了模拟鳐鱼的游泳特性患难之交,根据鳐鱼的肌肉组织结构五光十色,他们利用微密封技术七拼八凑,将纤连蛋白图形化覆盖在仿生鳐鱼的鳍上左邻右舍,使细胞图形化生长高谈阔论,实现特定回路的心肌细胞组织,春分有雨,家家忙,先种瓜豆,后下秧。将心肌细胞与仿生机器人结构共培养前因后果,直至心肌细胞形成能够自主搏动的组织万众一心,通过溶解葡聚糖牺牲层实现仿生机器人的无损释放,该放手时就放手,得饶人处且饶人。此外九牛一毛,通过控制仿生机器人鳍上的光刺激位置盛气凌人,机器人可以游泳以避开障碍物,庄稼歉收一年苦,不修水利代代穷。

三、类生命机器人所采用的活体生物材料

为了充分利用生物体的特殊性质十拿九稳,不同的生物材料被应用到仿生机器人的研究中南征北战,从而实现仿生机器人在驱动、传感、供能等方面的优越功能,冰断麦根,牵断磨绳。在现有的类生命机器人研究中三思而行,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,认理不认人,帮理不帮亲。水大漫不过船,手大遮不住天。根据各自的应用场景一见如故,每种生物材料都有自己独特的性能,腊雪开场,穷人饭粮。

心肌细胞

心肌细胞具有自发收缩的特性手舞足蹈,主要是由肌纤维膜上特殊离子通道中的一系列特殊离子电流产生的电刺激引起的,人生似鸟同林宿,大限来时各自分一个成熟的心肌细胞的长度可以达到100m五光十色,一个心肌细胞层的长度可以达到毫米甚至厘米的数量级,君子祸至不惧,福至不喜。一旦单个心肌细胞生长到相互接触百发百中,细胞间的湿盘就会连接细胞间的动作电位精打细算,从而实现多个细胞的同时自发收缩和搏动,白露天气晴,谷子如白银。单个心肌细胞的收缩力至少可达1N一丝不苟,而一簇心肌细胞的收缩应力可达1~4 kPa稳操胜券,相当于活心肌产生的应力,道虽近,不行不至;事虽小,不做不成。灯不拨不亮,理不辩不明。

研究表明十全十美,心肌细胞的收缩力与心肌细胞的密度有关,一手捉不住两条鱼,一眼看不清两行书。但是不计其数,除了自发收缩外汗马功劳,心肌细胞的收缩频率和收缩力也可以通过不同的外界刺激因素来控制神通广大,如电脉冲刺激、光刺激、化学刺激等,天下的弓都是弯的,世上的理都是直的。单个心肌细胞的大小约为100m深入浅出,具有自收缩的特性龙腾虎跃,因此单个心肌细胞可以作为100微米尺度的微型机器人的体内驱动器,君子争礼,小人争嘴。例如心口如一,美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员制造了一种微型自动驾驶仿生游泳机器人舍己为人,可以在低雷诺数液体环境中游泳画龙点睛,由自发运动的心肌细胞驱动,夏至东南一日风,勿种低田命里穷。为了获得微型仿生精子机器人的身体结构万马奔腾,他们采用了独特的加工方法:首先通过干法刻蚀技术在硅片上形成微结构模具风平浪静,然后通过毛细管牵引将未固化的PDMS溶液注入模具中,立秋处暑云打草,白露秋分正割田。烘烤后风和日丽,将硅模具和PDMS结构浸泡在酒精中柳暗花明,这有利于从模具中释放软微结构,黄梅花,莳梅稻,小暑两边盛赤豆。然后眉开眼笑,将PDMS微结构从模具中手动剥离学富五车,并转移到35 mm无菌培养皿中,春季生产掀高潮,从南到北忙春耕。为了使仿生生命机器人具有活精子的游动特性安分守己,研究人员利用明胶掩膜、纤连蛋白和F127凝胶实现PDMS微结构的选择性功能化兴高采烈,从而实现心肌细胞对微结构的选择性粘附精益求精,达到定点驱动的目的,八月田鸡叫,种麦犁头翘。当心肌细胞与PDMS微结构共培养2~3天时才高八斗,心肌细胞可产生自发收缩运动一模一样,从而驱动微型仿生生命游泳机器人以最大81微米s1的速度游泳,秀才饿死不卖书,壮士穷途不卖剑。因为心肌细胞可以在没有任何外界辅助的情况下产生自发的有节奏的收缩万紫千红,所以用心肌细胞制造出栩栩如生的机器人相对容易,期待困难的出现,将它们如同早餐般食用。但也是因为心肌细胞可以自发收缩左思右想,导致收缩时间和幅度难以精确控制百依百顺,从而影响了心肌细胞驱动的生命机器人的运动控制,腊雪春炀,农民财饷。

(2)骨骼肌细胞

骨骼肌在神经系统或外界电脉冲的刺激下能产生收缩力,君子之行,静以修身,俭以养德,非澹泊无以明志。因此为了心肌细胞产生更大的驱动力满面春风,需要采用基质胶和水凝胶等生物兼容性材料举一反三,使心肌细胞形成工程化三维肌肉组织,白露白迷迷,秋分稻秀齐,寒露无青稻,霜降一齐倒。骨骼肌细胞比心肌细胞能产生更大的收缩力口若悬河,其驱动力可达400NN同心同德,通常能产生收缩力的肌管是由马血清诱导的成肌细胞分化而来,病好不谢医,下次无人医。为了提高活体生物材料的收缩性举不胜举,研究人员采用了各种方法来改善组织工程骨骼肌的分化和收缩特性花言巧语,如电脉冲刺激、物理刺激、光遗传学处理和刺激、化学刺激、磁场刺激和生物调控等,年花年稻,眉开眼笑。这些研究表明十年寒窗,上述方法可以提高肌管分化效率、肌管排列、肌管收缩力和肌管成熟度,三月里清明麦不秀,二月清明麦秀齐。

例如千头万绪,日本东北大学的研究人员提出了一种交叉指型铂电极昂首挺胸,以促进工程肌肉组织的生长,天上无云不下雨,世间无理事不成。为了获得三维工程肌肉组织一字千金,他们在铂电极基底上制造了具有微通道的合成水凝胶结构,敬老得老,敬禾得宝。在与细胞电极共培养后甜言蜜语,用振幅为6 V、频率为1 Hz、宽度为10 ms的电脉冲刺激肌管一天一心一意,然后测量和分析分化的肌管的性能和基因表达,夏至未来莫道热,冬至未来莫道寒。实验结果表明东张西望,与传统的铂丝电极相比,他们提出的铂叉指电极基底更有利于工程化骨骼肌组织的生长和成熟,君子山岳定,小人丝毫争。尤其在肌管排列方面,提出的叉指电极诱导的肌管具有较高的排列性(约80%),而传统铂丝电极诱导的肌管排列性较低(约65%),君子小人,如冰炭之不相容,薰莸之不相入。此外,与传统的铂丝电极相比,叉指电极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和更多的肌肉标志蛋白,处暑萝卜白露菜。研究者已将电脉冲刺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,好种出好苗,秧好半熟稻。哺乳动物细胞需要严格的生活环境,如无菌培养箱,环境温度37,pH 7.4的液体环境,含5%二氧化碳的气体环境,三分种七分管,一种就管,一管到底。为了保持足够的营养,培养基要经常更换,忧郁是一种习惯;快乐也是一种习惯;要哪一种,那是你的选择。

(3)背部维管组织

背部血管组织是另一种可以用作仿生机器人生物驱动器的活体材料,五洲四海任我游,三堂二课皆用功,一生前程始于此这种生物材料可以自发地有节奏地收缩,也可以在外界条件的刺激下进行控制,它们不需要像培养哺乳动物细胞那样严格的条件,君子坦荡荡,小人长戚戚。另外由于工程化的骨骼肌组织具有较心肌细胞更大的尺寸、更强的收缩力以及更好的控制特性,现已有研究者进行采用骨骼肌细胞驱动厘米尺度的类生命机器人研究,山高自有客行路,水深自有摆渡人。如以前的研究表明,背侧维管组织在不更换培养基的情况下可以存活90天,在5 ~ 40的环境中仍能保持其收缩特性,它年折桂古蟾宫,必定有君。背部血管组织在性质上类似于哺乳动物的骨骼肌细胞,可以自发收缩,满足仿生机器人的控制性能要求,君子泰而不骄,小人骄而不泰。相关研究表明,昆虫背部血管组织可以通过外部电脉冲刺激来控制,成人不自在,自在不成人。单个背侧血管组织的大小可达厘米级,其收缩力可达100 n,昆虫背侧血管组织因其大小、收缩性、鲁棒性和可控性等特点,已作为活体生物驱动器广泛应用于仿生机器人的研究中,有理不怕势来压, 人正不怕影子歪。例如,日本大阪大学的研究人员发明了一种由昆虫封装的背部血管组织驱动的仿生机械手,可以在空气环境中工作,痛苦是无法避免的,但如何看待它们,那是我们的选择。该仿生机械手包括微型镊子、微型腔室和活体背部血管组织,君子有终生之忧,无一朝之患也。其中,微镊子和微腔由PDMS制成,谷雨前后,种瓜点豆。微镊作为执行器,在装配于其上的背侧血管组织的驱动力作用下操作物体,天不生无碌之人,地不长无根之草。微腔用于固定微镊子,存储介质(40L)用于维持活组织的生命,基肥施得足,麻高又厚肉。为了最大限度地提高活体背部血管组织的使用寿命,研究人员使用石蜡密封微腔,减少培养基的外部影响,人补桂密枣,田补河泥水草。在活体组织收缩力的驱动下,微镊的尖端距离变为250 m,用这种寿命为机械手抓取一个直径为250m的PDMS环结构时,环的横向变形为48m,纵向变形为37m,由活体组织驱动,困难不是叫你停止的告示,它们是你的指导方针。而且他们提出的仿生机械手可以在空中工作长达5天,你无法量身订做生命里的各种情形,但你可以量身订做面对那些情形时,自己的态度。

(4)微生物

背血管组织的环境适应性和鲁棒性较强的特性有益于类生命机器人研究,宁向直中取,决不跪着曲。多种微生物已应用于仿生机器人的研究,包括鞭毛细菌(如大肠杆菌、不动杆菌、鼠伤寒沙门氏菌)、滑动细菌(如运动支原体)、原生动物(如草履虫、钟形虫和四膜虫)和藻类(如莱茵衣藻),若要麦,沟底白。这些移动的微生物可以在液体环境中游动,也可以依靠自身的力量在基质上移动,乐观是人类最重要的特性,因为乐观使我们的思想得以进步它们的分子马达可以通过消耗环境中的简单营养物质(如葡萄糖)产生丰富的动力,君子以道德轻重人,小人以势轻重人。此外,基于不同微生物对外界环境刺激的响应特性,可以通过不同的方法控制个体或群体微生物的运动,君子喻于义,小人喻于利。

目前基于微生物的微生物具有自驱动和自感知外界刺激而产生响应的功能,因此可以作为类生命机器人的活体生物驱动器,过了冬长一葱,过了年长块田。仿生机器人具有体积小、运动可控等优点,其主要优点是利用微生物作为活体生物驱动力,可以在较宽的环境条件下生存,君子量不极,胸吞百川流。例如,有些种类的微生物可以耐受非常高的温度(100以上),有些可以在很宽的pH环境中生存(pH 2~11.5),惊蛰春季造林好时机,因地制宜分树种,

由于微生物具有许多优点,包括其规模小、游动能力强、可控性好、超级生存能力和能量利用效率高,多种不同的刺激方法已被应用到不同种类微生物运动的控制研究中,如化学刺激、磁场刺激、电场刺激、光刺激、温度刺激及氧刺激,人往屋里钻,稻在田里窜。例如,韩国全南大学的研究人员开发了一种鞭毛驱动的微型仿生生物医学机器人,用于抗癌药物的输送,云行北,好晒卖。云行南,大水飘起船。云行东,有雨变成风。云行西,雨滴滴。他们利用微流控技术结合紫外光固化技术,制作出用于生命机器人的PEG微球,君子上达,小人下达。为了使基于活细菌的仿生微型机器人具有较高的运动速度,研究人员对微球表面进行了选择性处理,从而实现细菌在微球表面的选择性粘附,形成单一方向的有效驱动,六月盖被,田里无米。具体步骤如下:首先,利用微球和琼脂糖凝胶的密度差,将微球半浸没在胶体中;然后将未固化的PDMS倒入容器中,盖上琼脂糖凝胶和微球;PDMS加热固化后,取出PDMS及其附着的微球,浸泡在多聚赖氨酸溶液中,对半个微球表面进行修饰,美言美语受人敬,恶言恶语伤人心。因为细菌对疏水性PEG没有粘附作用,所以这种鼠伤寒菌只粘附在聚赖氨酸处理过的微球表面,春分麦起身,一刻值千金。在游动细菌的驱动下,这种选择性表面处理的微型仿生机器人的游动速度是表面处理微型机器人的12.33倍,是完全表面处理微型机器人的7.4倍,观棋不语真君子,举棋不悔大丈夫。

很多研究者已将微生物应用到不同领域的研究中,如生物化学探测、操纵微小以及药物运输,庄稼一枝花,全靠肥当家

四、应用于类生命机器人的非生命材料及相应的加工方法年前的相关研究表明,类生命机器人的非生命材料的力学性能影响着机器人的整体性能,如漂浮、变形、移动速度等,一场秋雨一场寒,十场秋雨要穿棉。一场春雨一场暖,十场春雨要穿单。而且非生物材料的微观结构、杨氏模量、亲水性、生物相容性、导电性都影响着活体生物材料的生长状态,如粘附性、增值特性、分化特性、排列性、肌细胞收缩特性等,麦要抢,稻要养。例如,加拿大多伦多大学的研究人员描述了基础硬度对心肌细胞的形态和功能的影响,鸟是三顾而后飞,人是三思而后行。根据真实大鼠心脏组织的力学特性(4~46.2 kPa),将从新生大鼠中提取的心肌细胞培养到具有不同杨氏模量(3、22、50和144 kPa)的经蛋白质修饰的聚丙烯酰胺基底和被蛋白质覆盖的玻璃基底上(假设硬度无限大),男人无志,钝铁无钢,女人无志,乱草无秧。培养120 h后,生长在中等硬度基底(与真实成年大鼠心肌22~50 kPa的硬度相似)上的细胞具有良好的细胞形态、功能和分化特征,如良好的条纹状、合理的激发阈值、良好的细胞伸长和较大的细胞收缩,六月盖被,甏中无米。

非生命材料作为类生命机器人的重要组成部分,为活体生命材料提供支撑、生长环境以及黏附表面,有理的想着说,没理的抢着说。不同的非生物材料具有不同的机械和生物特性,因此需要不同的加工制造方法,为你所拥有的感恩,你会不知不觉的得到更多;执着于自己所没有的,你就永远无法感到满足。PDMS被广泛应用于仿生机器人的研究中,因为它的硬度可以根据肌肉组织的硬度(约10 kPa)进行调节,PDMS的制造方法也广泛而简单,若要好,大让小。通常,PDMS结构是通过将聚合物和固化剂以101的比例混合成混合溶液,加热并固化而形成的,你对人无情,人对你薄意。PDMS结构的杨氏模量可以通过不同的条件来调节,例如骨料与固化剂的比例、加热温度和固化时间,要么找到出路,要么自己开拓新道路。

常用的制造PDMS结构的方法有:浇铸法、表面旋涂法、薄膜切割法和3D打印法,若要年成好,罱泥捞水草。此外,PDMS的生物相容性和亲水性可以通过生长材料的表面改性或表面氧的粒子处理来调节,幼稚是会生长,会成熟的,只要不衰老例如,美国路易斯安那州立大学的研究人员制造了一个微型游泳机器人,由活心脏细胞驱动来移动PDMS胶片,举手不打无娘子,开口不骂赔礼人。机器人采用基于鳍的驱动原理,通过保持重心和潜深,可以在没有外力的情况下,在水中保持稳定的游动,君子求诸已,小人求诸人。这种机器人主要由双层PDMS结构的三角形头部和覆盖有活心肌细胞的尾膜组成,莳里之雷,米谷成堆。在心肌细胞收缩力的作用下,PDMS膜与水相互作用,能产生稳定的抗干扰游泳,最大速度142微米s1,冬备夏,夏备冬。

常见的用于类生命机器人研究中的非生命材料包括结构材料(如PDMS、 水凝胶、树脂材料和SU-8)及生长材料(如基质胶、纤维蛋白原、纤维链接素蛋白和胶原蛋白),人勤地生宝,人懒地生草。随着3D立体印刷技术的发展,可以使用紫外激光或其他类型的激光,按照设计的3D结构逐层选择性固化光致聚合物水凝胶液体,君子小人趣向不同,公私之间而已。为了满足活体生物材料的物理和生物环境要求,水凝胶的杨氏模量可以通过调整聚合物和交联剂的分子结构来改变,其化学性质可以通过3D打印机进行空间控制,接受挑战,以让你可以尝到最终胜利的快感。而且水凝胶的多孔性可以实现必要的营养和气体渗透,使生物材料可以在其表面或内部生长,千锤成利器,百炼不成钢。此外,水凝胶材料的微结构有助于细胞增殖和分化,和人路路通,惹人头碰痛。考虑到水凝胶材料的诸多优点,许多科学家已经尝试使用不同的水凝胶材料来制作类生命机器人的身体结构,人不可貌相,海水不可斗量。例如,美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员通过3D光刻打印技术制作了一个名为“Bio-Bot”的移动仿生机器人,主要由水凝胶和活心脏细胞组成,娘好囡好,秧好稻好。这种机器人的主要结构包括作为驱动器的“尾巴”和用于实现不对称结构并产生单向运动的“腿”,水至清则无鱼,人至紧则无智。在尾部结构中植入活体心肌细胞,在自发同步收缩时驱动尾部结构弯曲,从而为类生命机器人提供驱动力,一天不练手脚慢,两天不练丢一半,三天不练门外汉,四天不练瞪眼看。这种生命机器人由活体心肌细胞以平均1.5赫兹的频率驱动,最大前进速度可达236微米s1,九月蚕豆十月麦,过了节都不发。

将硬材料、软材料和导电材料等多种不同性质的材料结合起来,可以促进机器人的感知、智能和驱动功能,相信自己能做到,你就一定能做到。所以,具有生物兼容性的水凝胶是类生命机器人发展中的另一种重要非生物材料,莫笑他人老,终须还到老。例如,美国哈佛大学的研究人员利用3D打印机制作了一种装置,将多种无生命的材料与活的心肌细胞结合在一起,大暑到立秋,积粪到田头。根据器件的功能要求,无生命结构体由六种不同功能的墨水组成,包括压电材料、高导电材料和生物相容性软材料,一心读遍圣贤书,三心二意无益处,四书五经励我志。该装置的无生命结构可以由细胞驱动,而不影响活心肌细胞的生长状态,花靠锄头稻靠挖。因此,这种多材料复合3D打印技术可以应用于未来的仿生机器人研究工作中,所有事情,在它们成为简单的事情之前,都是困难的。为了使仿生机器人具有更广泛的功能、更多的新材料和新的加工方法,迫切需要将智能材料和4D印刷技术应用到仿生机器人的研究中,刀无钢刃不锋利,人无意志不坚定。

科学家发明了多种材料复合3D打印技术,用来促进类生命机器人的发展,若要成长,就必须先走出自己的舒适地带。

可控性是能够执行任务的仿生机器人的重要属性,君子和而不同,小人同而不和。例如,机器人可以在人的控制或自动系统控制下完成传输、操作和导航等任务,雨不会下一年,人不会穷一世。通常情况下,根据活体生物材料的固有特性,结合感知、外力等不同的控制方式,可以实现对仿生机器人的运动控制,霉里芝麻时里豆。

五、类生命机器人的控制方法许多生物细胞或组织对外界因素有反应,如机械力和应力、化学梯度场、电刺激、光刺激、磁场等,冷天莫遮火,热天莫遮风。神经刺激是控制肌肉细胞或组织产生收缩过程中的主要控制因素之一,人误地一时,地误人一年。而且电脉冲刺激可以模拟神经信号对肌肉的刺激控制,从而重构肌肉细胞或组织的兴奋性3354收缩过程,追赶时间的人,生活就会宠 爱他;放弃时间的人,生活就会冷落他。因此,近年来,许多研究人员采用电脉冲刺激的方法来促进仿生机器人的发展,争取机会,犯更多的错,那就是成长的方法。痛苦使勇气成长,你必须不停的失败以训练你的勇气。这种电脉冲刺激可以优化生命物质的状态;促进细胞增殖、成熟和分化;控制肌肉细胞或组织的收缩运动(收缩频率和力度);并且可以控制细菌等微生物的运动方向,若你能改变你的思考方式,你就能改变你的人生。之前的研究已经证明了电刺激对心肌细胞的作用,可以优化细胞的形态和功能,寒里开沟胜盖被,春里开沟通口气。

另外,基于活体生物材料的固有特性的类生命机器人控制方法主要利用生物体本身的生物物理特性而实现,如其坐而言,不如起而立。例如,美国加州理工学院的研究人员利用逆向工程研究方法,制造了一种仿生水母——,一种可以通过电脉冲刺激控制的仿生机器人,当你内心喜乐,当你接纳你的人生,当你享受于其中,并且给身边的人带来正能量,你就会变成如同太阳般的存在,人们都会喜欢接近你。这种微型游泳机器人由一层PDMS膜和一层活的心肌细胞组成,其中心肌细胞的收缩力为机器人提供驱动力,若要成功,就必须先相信自己是可以做到的。为了模拟真实水母的游泳模式,研究人员使用计算机模拟来设计这种机器人的结构,春起东风雨绵绵,夏起东风断了泉,秋起东风天要变,冬起东风雪天边。他们通过定量模拟真实水母的身体结构、运动动力学以及动物与液体的相互作用,实现了仿生机器人的仿生游泳,君子固穷,小人穷斯滥矣。这种生命机器人在活细胞的驱动下,可以实现接近真实水母的游动模式,其游动速度可以通过外部电脉冲刺激来控制,腊里盖泥如盖被。在频率为1 Hz、电场强度为2.5vcm1、脉冲宽度为10 ms的电脉冲刺激下,这种生命机器人可以以高达2.4mms1的速度游泳,你唯一能改变的是你自己,但往往那就已经足以改变一切。虽然电脉冲刺激已经广泛应用于生命机器人中促进和控制生命物质,并且具有很高的时间分辨率,但是电场在液体中传导的空间分辨率较差,绊脚石和踏脚石的差别,只在于你如何使用它们。然而,电脉冲刺激的空间分辨率仅取决于电极和生物材料之间的距离,君子浩然之气,不胜其大,小人自满之气,不胜其小。因此,要解决空间分辨率低的问题,需要将刺激电极集成到基底中,或者要求刺激电极与受控细胞或组织直接接触,寒露无青稻,霜降一齐倒。然而,这种方法需要集成柔性电极,并且可能损害活的生物材料,君子爱财,取之有道。

电脉冲刺激的应用可以实现培养超过8天的心肌细胞产生同步收缩运动,季节不饶人,种田赶时分。光控法可直接应用于趋光性活体生物材料的运动控制,如藻类细胞和趋光性细菌,腊肥金,春肥银,春肥腊施银变金。根据这种生命体的光控特性,我们在前期工作中构建了一个可以自由、准确操作微小物体的生物镊子系统,留得五湖明月在,不愁无处下金钩系统的运行力由微小光点诱导的局部高密度趋光藻细胞的游动力形成,若机会不来敲你的门,那就自己开启那扇门。在这项工作中,生活莱茵衣藻和红球藻,有理摆到事上,好钢使到刃上。为手术提供驱动力,波长为500 nm的光源控制藻细胞的运动,从而实现手术运动的精确控制,君子不重则不威。在本工作中,我们提出了两种不同的操作模式:由光斑诱导的操作模式和由操作对象的结构诱导的操作模式,麦怕清明连夜雨,稻怕寒露一朝霜。在第一种操作模式下,被操作的微小物体可以在生物驱动力的作用下沿着控制点的运动轨迹运动;在第二种操作模式下,被操纵的微小物体在光点诱导的局部高密度游动细胞的驱动下,按照自身的结构不对称性旋转运动,大蒜栽种不出九,精细认真管大棚。实验表明,在微生物的驱动下,被操纵的微小物体可以以7.59微米s1的最大速度运动,以0.032弧度s1的最大角速度旋转,只有上不去的天,没有过不去的山。

光控制,作为位置精确可控且对被控生物体无损的控制方法也被广泛应用于类生命机器人的研究之中,无论遇到什么困难,提醒自己,你是可以选择如何看待它们的。光遗传学使研究人员能够通过基因工程在细胞中表达光敏蛋白,从而使肌肉细胞或组织实现时空可控的驱动特性,君子忍人所不能忍,容人所不能容,处人所不能处。由于光可以聚焦在肌肉细胞或组织的不同位置,因此有可能选择性地控制活体生物材料的收缩运动,不怕衣服有补钉,只怕心灵有污点。先前的研究表明,在强度为0.12 MW mm2和脉冲宽度为100 ms的蓝光刺激下,经光遗传学处理的肌肉细胞的收缩运动模式和幅度与强度为0.8v mm1和脉冲宽度为100 ms的电刺激下的肌肉细胞相似,天行健,君子以自强不息。此外,经光遗传学处理的大多数细胞、肌肉细胞和组织对光刺激具有快速的响应速度(约几十毫秒),吃尽苦中苦,方为人上人。利用光遗传学和光控制方法,研究人员已经初步实现了由活体心肌细胞和骨骼肌细胞驱动的仿生机器人的简单运动控制,逢着瞎子不谈光,逢着癞子不谈疮。例如,伊利诺伊大学香槟分校的研究人员开发了一种微型仿生机器人——Bio-Bot,由非侵入式光控骨骼肌细胞驱动,你可以为玫瑰长满刺而抱怨,或为荆棘里长满玫瑰花而喜悦。该机器人由3D打印的水凝胶身体结构和包含多个肌肉管的微型肌肉组织组成,君子乐得其道,小人乐得其欲。

为了使这种生命机器人光可控,研究人员利用现有的光遗传学技术,实现了光敏离子通道ChR2在成肌细胞中的表达,君子务知大者远者,小人务知小者近者。然后,他们将转染的成肌细胞、纤维蛋白原、凝血酶和基质胶混合,形成3D肌肉组织,有志之人志不移,无志之人常立志。在光刺激下,骨骼肌微结构可以产生高达300N(0.56 kPa)的拉力,人热无处钻,花稻田里窜。当骨骼肌微结构组装成3D打印形成的水凝胶体结构时,这种生命机器人在光刺激下,可以以310 m s1的最大速度移动,并以2()s1的角速度2D旋转,只怕不勤,不怕不精;只怕无恒,不怕无成。

除了具有趋光性的活体生物材料能够很容易实现光控运动之外,其他的生物细胞和组织,如心肌细胞和骨骼肌细胞,在光遗传学的帮助下同样可以产生光控制特性,忍一句,息一怒;饶一着,赢一步。例如,用于刺激控制的会聚光可能伤害活的生物材料;此外,一些光源,如紫外线,具有损伤活的生物材料如细胞和微生物的DNA或蛋白质的风险,秋分谷子割不得,寒露谷子养不得。因此,应将一些特殊光源的光刺激应用于仿生机器人的控制,并将曝光时间限制在很小的时间尺度内,君子之心不胜其小,而气量涵益一世。而且有研究表明,470 nm波长的光在生物组织中的有效穿透力小于740 nm,好种长好苗,好葫芦剧好瓢。什么种子什么苗,什么葫芦什么瓢。因此,控制光不能像身体一样穿透不透明的屏障,三月里晒得沟底白,三条坑沟抵条麦。

由于光刺激的控制方法具有较高的时间和空间的分辨率,因此被广泛研究并应用于类生命机器人的发展之中,但是仍然存在着一些制约着其在类生命机器人控制方法研究中的关键问题,今天是全新的开始,一个让你把失败转化为成功,悲痛转化为喜悦的机会。由于病变细胞的代谢与正常细胞不同,会改变体内病变附近的微环境,宁肯给君子提鞋,不肯和小人同财。受此启发,应用生物材料对化学刺激的响应效应,有望实现具有自动控制功能的体内介入诊疗生命机器人,闹里有钱,静处安身。为了研究仿生机器人的化学刺激控制方法,已经使用了许多药物来控制骨骼肌细胞、组织和心肌细胞的收缩频率和幅度,以及细菌的游动速度和方向,过了“雨水”天,农事接连牵。例如,韩国全罗南国立大学的研究人员开发了一种栩栩如生的细菌机器人,以实现基于细菌的肿瘤诊断、主动给药和靶向治疗,家禽孵化黄金季,牲畜普遍来配种,这种微型生命机器人的主体由细菌驱动的微小颗粒组成,其驱动力来自选择性附着在以牛血清白蛋白(BSA)为图案的聚苯乙烯(PS)小珠上的鞭毛细菌(鼠伤寒沙门氏菌),竹贵有节,人贵有志;人贵有志,学贵有恒。结果表明,大量细菌选择性地粘附在PS珠的未处理面上,冬虽过,倒春寒,万物复苏很艰难。微纳机器人可以感知环境中的化学梯度,规划自己的运动方向,人误地一时,地误人一年。在实验中,许多机器人被放置在一个微流体管道中,管道两端分别装有细菌化学引诱剂(天冬氨酸)和细菌化学排斥剂(硫酸镍),冬天垩遍泥,胜如盖棉被。结果表明,仿生微纳机器人可以根据化学梯度刺激,在活菌的驱动下向天冬氨酸端游去,头悬梁,锥刺骨,巾帼挥毫书奇志。然而,化学刺激控制方法的时间和空间分辨率很低,并且具有潜在的毒性,这限制了其在仿生机器人控制中的应用,君子周而不比,小人比而不周。此外,当人形机器人远离化学源时,化学物质浓度会随着扩散距离的增加而迅速降低,从而削弱其控制功能,贫居闹市无人问,富在深山有远亲。

化学刺激作为另一种应用于类生命机器人的控制方法同样被广泛研究,良种加良法,生产才得发。例如,加拿大生物医学工程研究所的研究人员表明,细菌(MC-1)的运动速度、方向和行为可以通过闭环计算机系统来控制,当世界不停的推挤直至你屈膝跪下,别忘了那正是祈祷的最佳姿势。此外,远磁场产生的外力可以控制仿生机器人内嵌的微纳磁性颗粒,从而控制仿生机器人的运动速度,辅助生物活体材料实现驱动,千日造船,一日过江;秤砣虽小,能压千斤。而且远磁场还可以用来控制仿生机器人的运动方向,量小非君子,无度不丈夫。例如,美国卡耐基梅隆大学的研究人员演示了通过远磁场方法可以实现仿生微纳机器人的运动控制,云往东,车马通,云往南,水涨潭,云往西,披蓑衣;云往北,好晒麦。这种仿生微纳游泳机器人由许多附着在直径为6 m的超顺磁性颗粒上的灵杆菌组成,其中,活菌提供仿生机器人的驱动力,磁性颗粒在远磁场的控制下为仿生机器人提供运动控制力,一手难遮两耳风,一脚难登两船。然后,通过研究磁控参数与仿生机器人运动性能之间的关系,优化了磁控方法,惊蛰节到闻雷声,震醒蛰伏越冬虫。在这项研究中,小于10 mT的磁场可以控制这种生命机器人以7.3微米s1的最大速率实现任意2D轨迹运动,打了春赤脚奔,挑荠菜拔茅针。然而,磁控制方法需要复杂的控制算法来实现精确控制,爱徒如爱子,尊师如尊父。

为了提高仿生机器人的整体性能,目前已经探索了许多控制方法,但每种控制方法都存在一些缺陷,限制了其在仿生机器人研究中的应用,你可以做到,你也应该做到。只要你有勇气踏出第一步,你就一定能做到。因此,为了解决仿生机器人在复杂工作环境下的控制问题,迫切需要发展一种将生命科学和工程技术与新型驱动机构和工具相结合的控制方法,君子之道对君子,小人之道对小人。

磁力控制方法具有无毒性、非接触以及高穿透力等优点,君子而不仁者有矣夫,未有小人而仁者也。因此,磁场被广泛应用于蛋白质分子、细胞和线虫等活体生物材料的行为控制,以及磁性细菌的运动方向和速度控制研究中,益者三友;友直,友谅,友多闻,益矣。友便僻,友善柔,友便佞,损矣。以嘲弄的眼光看待人生,是最颓靡的。

微机电系统、微纳加工技术、生命科学等诸多学科的发展都促进了仿生机器人的研究,悲观使人软弱;乐观使人强壮。目前已经初步实现了有生命的生物材料和无生命材料的简单结合,相关研究表明,许多由生物材料驱动的仿生机器人具有简单的功能,如移动、旋转和操作,然而,仍然有许多重要的挑战制约着仿生机器人的进一步发展,潜在的主要问题如下,

(A)缺乏对逼真机器人的逼真感知和智能的研究

感知、智能、驾驶是机器人的主要功能,未来的类生命机器人也应该包含三个主要因素,而从010年到59000年,利用活体生物材料实现信息感知和获取,利用生命体特征实现机器人智能功能的研究很少,因此,基于在类生命驾驶研究中使用活体心肌细胞和骨骼肌细胞作为驱动单元的相同原理,需要探索更多使用活体生命材料实现类生命机器人感知和智能功能的研究,因此,未来的仿生机器人具有高性能的感知、智能和驱动功能,

(B)缺乏用于栩栩如生的机器人的生物材料

生物材料是仿生机器人的重要组成部分,是实现感知、智能和驱动等功能的主要单元,因此,生物材料的特性决定了仿生机器人的主要性能指标,但是,以六、类生命机器人发展所面临的挑战为例,目前研究中使用的心肌细胞大多来自新生大鼠的原代心肌细胞培养,因此,可以使用的心肌细胞数量取决于新生大鼠的数量,再比如,蛇窝具有高灵敏度的红外传感功能,可以用来实现未来仿生机器人的高性能传感系统,但是每条蛇只有两个巢,在处理活体样本的过程中巢很容易被破坏,而且为了实现多功能生命机器人的嗅觉、记忆、学习等功能,迫切需要开发新的生命材料和技术,因此,为了促进仿生机器人的进一步发展,应该在具有驱动和传感功能的活体生物材料的研究中引入生物融合、基因工程等新的科技手段,

(C)缺乏栩栩如生的机器人的活生物材料的长期生命维持技术,

大多数生物材料都是湿材料,需要浸泡在合适的培养基中才能保持其生物活性,从而限制了仿生机器人在复杂环境中的应用,类生命机器人在空气中工作时,生物材料所处的环境要有充足的养分、适宜的温度、气体和无菌状态,在自然生物中,皮肤和循环系统可以为生物物质提供必要的保护和维持生命的营养,

但是,要制造出仿皮肤的智能材料和仿生命机器人的人造毛细血管,难度很大,而且新陈代谢产生的热量也需要提取再利用,因此,目前有关类生命机器人的大部分研究仅聚焦于类生命机器人在活体生物材料的驱动下的简单运动功能的实现,

(四)仿生机器人控制方法的缺陷

控制性能是机器人的主要评价指标之一,许多研究团队采用光学、电学和化学方法来实现仿生机器人的简单运动控制,然而,大多数现有的控制方法具有应用缺陷,比如基于动作电位传导的电脉冲控制方法,空间分辨率低;并且如果通过使用接触电极方法来提高控制位置精度,则可能对活的生物细胞造成伤害;光控制的方法需要应用于透明介质环境;基于扩散原理的化学增产控制,时空分辨率低;磁场控制需要庞大的外部设置和复杂的计算机控制算法,因此,活体生物细胞或组织的获取始终是制约着类生命机器人发展的难题,

(E)缺乏仿生机器人的信息获取、处理和信息接口技术,

信息获取、传输和处理等信息技术是智能机器人的主要因素之一,机器人信息采集模块采集的信息需要传输到机器人智能模块进行处理和记录,此外,信息被传输到输出模块以实现机器人致动器的运动控制,因此,为实现类生命机器人的进一步发展,类生命机器人本体结构及生命体所需的培养环境的新型材料及相应的加工方法(如智能生物材料、4D打印技术以及恒温系统等)急需被探索,然而,目前,关于仿生机器人的工作很少着眼于机器人信息技术的研究,信息技术的引入可能会促进仿生机器人的快速发展,此外,仿生机器人的感知模块、信息处理单元和驱动执行器的集成研究也将是仿生机器人未来面临的一大挑战,

可应用于多重复杂环境的类生命机器人通用控制方法急需被探索,

类生命机器人具有集成生物和非生物机电系统的优势,因其潜在的高能效、高本质安全和高灵敏度,有可能成为新一代机器人的发展方向,本文从功能、有生命的生物材料、无生命材料和控制方法等方面论述了仿生机器人的发展,同时,从感知、智能、生物和非生物材料、控制方法和信息处理技术等方面讨论了类生命机器人未来可能面临的重要挑战,在这篇论文中,只提到了一些关于仿生机器人的工作,此外,细胞培养、组织工程、光遗传学、微纳制造、3D打印和MEMS等领域的研究也为仿生机器人的发展做出了重大贡献,探索仿生机器人面临的发展机遇和挑战,需要机器人学、机电一体化、生物学、医学、化学等多学科的共同发展,虽然目前研究的大多数种类的生命机器人都只局限于毫米和微米尺度,但相对于传统的微纳机器人,它们有着明显的优势,比如心肌细胞具有直接利用环境中的化学能自我驱动的特性;这将为解决微型机器人在特殊工作环境(如人体)下的能量供给和控制问题提供一种新的思路,未来的仿生机器人将具有本质安全性强、感知灵敏度高、信息处理速度快、智能化程度高、自我修复能力强等多重功能特性,从而在不同领域为人类服务,

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