植入活水母體內(nèi)的微電子技術(shù)可以增強推進力

機器人材料的研究人員旨在人工控制動物運動，以解決軟機器人中驅(qū)動、控制和功率需求方面的現(xiàn)有挑戰(zhàn)。 斯坦福大學(xué)生物工程、土木和環(huán)境工程和機械工程系的Nicole W.Xu和John O.Dabiri在一份新的《科學(xué)進步》報告中介紹了一種生物混合機器人，該機器人利用機載微電子技術(shù)誘導(dǎo)活水母游泳。

他們測量了通過在比自然行為更快的最佳頻率范圍內(nèi)驅(qū)動身體收縮來大大增強推進的能力。 這一操作使游泳速度增加了近三倍，盡管動物的代謝支出只增加了兩倍，微電子的外部功率輸入增加了10米。 生物混合機器人使用的外部功率每質(zhì)量比以前報道的水生機器人少10到1000倍。 該能力可以提高生物混合機器人相對于本機性能的性能范圍，具有生物混合海洋監(jiān)測機器人的潛在應(yīng)用前景。

水母是一種引人注目的模型生物，由于其運輸成本低，形成節(jié)能的水下航行器。 現(xiàn)有的完全由工程材料制造的游泳動物仿生機器人可以達到與自然動物相當?shù)乃俣?，但其效率比水母低幾個數(shù)量級。 因此，生物雜交水母機器人可以整合活動物來應(yīng)對軟機器人的現(xiàn)有挑戰(zhàn)。 研究人員可以利用水母的結(jié)構(gòu)來驅(qū)動和解決動力需求，通過探索自然喂養(yǎng)行為，在那里他們從獵物原位提取化學(xué)能量。 這種方法還可以通過動物固有的自然傷口愈合過程從損傷中恢復(fù)，控制動物的運動，并允許在用戶控制的實驗中對活體生物力學(xué)進行額外的研究。 在本研究中，徐和達比里利用微電子系統(tǒng)對活水母進行外部控制，形成生物雜交機器人，推進水生運動的科學(xué)和工程。

為了激活水母作為一種天然支架，該團隊利用動物自身的基礎(chǔ)代謝來減少額外的動力需求，并利用其肌肉進行驅(qū)動，同時依靠自愈和組織再生特性來提高損傷耐受性.. 研究小組假設(shè)，增加水母的鐘縮頻率可以使游泳速度達到極限。 因此，他們通過測量游泳速度和氧氣攝入量來計算運輸成本(COT)并檢驗他們的工作假設(shè)，從外部控制自由游泳動物的脈沖頻率。 以前，這種檢查只能通過計算或理論模型進行。

徐等人 選擇奧雷利亞奧麗塔作為一個模型有機體；一種扁圓形水母，含有一個靈活的系膜鐘和單層冠狀和徑向肌肉襯里的下鼓表面。 為了游泳，有機體收縮肌肉，以減少鐘下腔體積，并噴出水，以提供動力，同時提供額外的貢獻，從被動能量回收和吸力為基礎(chǔ)的推進。 為了啟動這些肌肉收縮，水母沿著鐘緣激活了位于傳感器器官中的任何輕起搏器。 這些神經(jīng)簇激活了整個運動神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致雙向肌波傳播，起源于自然傳播過程中激活的起搏器。

活水母機器人設(shè)計集成和設(shè)備驗證

科學(xué)家們首先設(shè)計了一種便攜式的、獨立的微電子游泳控制器，以產(chǎn)生方形脈搏波，并刺激肌肉收縮從0.25Hz到1.00Hz。 他們用一個小百合迷你處理器和一個10米Ah鋰聚合物電池組成控制器。 為了直觀地確認電信號，徐等人。 將電線串聯(lián)到小百合發(fā)光二極管(LED)。 然后，他們將電極雙邊插入桶下組織，并保持系統(tǒng)自然浮力與不銹鋼墊圈和軟木塞。 為了驗證游泳控制器可以外部控制水母鐘收縮，科學(xué)家們開發(fā)了一種跟蹤鐘緣運動的方法。 為此，他們完成了三組實驗，（1)在沒有任何干擾的情況下觀察生物體的內(nèi)源性收縮，(2)觀察機械嵌入非活性電極是否影響自然動物行為，(3）測試刺激方案以確認外部驅(qū)動的收縮。

他們發(fā)現(xiàn)，自然動物的行為（或內(nèi)源性收縮）是不規(guī)則的，具有較高的脈率變異性-包括平均峰值頻率為0.16Hz。 不活躍的電極沒有顯著改變頻譜，而外部驅(qū)動的收縮顯示水母肌肉收縮的生理極限在1.4Hz到1.5Hz之間。 該小組在鹽水箱中使用植入系統(tǒng)進行游泳試驗，并將測量的游泳速度標準化，以考慮動物大小的變化。 在沒有刺激的情況下，他們用歸一化速度的平均值來縮放歸一化游泳速度(即。 0H z)來確定增強因子。 最大增強因子是動物自然游泳速度的2.8倍，即使用機載微電子技術(shù)提高游泳速度2.8倍。

高效的設(shè)備功耗

人工控制的水母需要來自微電子系統(tǒng)的外部力量和來自動物自身代謝的內(nèi)部力量。 當驅(qū)動頻率增加時，生物混合機器人水母的微電子系統(tǒng)每公斤消耗更大的瓦特。 然而，與現(xiàn)有的機器人相比，這種生物混合機器人使用的外部功率高達1000倍。 徐等人 將該原型與在硅支架上播種的大鼠心肌細胞制成的Medusoid和機器人射線進行了比較，并與純機械機器人以及自主水下機器人(AUV)進行了比較。 除了生物混合機器人每質(zhì)量的低外部功耗的成本效益外，微電子系統(tǒng)從商業(yè)上可用的組件中只花費不到20$。 化學(xué)定位也是非特異性的，動物在實驗后立即恢復(fù)。

外部控制的新能力允許徐等人。 探討游泳頻率與代謝率的關(guān)系。 耗氧率遵循與提高游泳速度相似的模式，科學(xué)家們使用實驗代謝速率和實驗游泳速度計算了等效的運輸成本。 在中等頻率下，COT增加，在較高的外部刺激頻率下降低.. 結(jié)果表明，增強的水母游泳不會對動物的新陳代謝或健康造成不應(yīng)有的代價。

研究的主要機器人極限是微電子系統(tǒng)相對于動物和微電子功率需求的功率需求。 進一步改進微電子技術(shù)可以降低能量成本，擴展的研究也可以努力減少內(nèi)源性動物收縮，而不損害生物體，以提高基于活體動物的生物雜交機器人的可控性。 海蜇的人工控制可以通過結(jié)合微電子傳感器來利用現(xiàn)有的標記技術(shù)，擴大海洋監(jiān)測技術(shù)，提高其可控性。