玩具變形金剛和現(xiàn)實生活中的鯨魚激發(fā)了生物混合機器人

達特茅斯學院和香港城市大學Thayer工程學院的研究人員從生物學和玩具架中汲取靈感，開發(fā)出一種帶有光控蜂窩發(fā)動機的游泳機器人，可以進行高度針對性的藥物輸送。

研究人員將心臟組織工程，三維打印機翼結(jié)構(gòu)和光敏凝膠相結(jié)合，生產(chǎn)出具有啟停功能的軟機器人?？汕袚Q裝置在暴露于穿透皮膚的近紅外光時會改變其形狀，使其在人體血流等流體環(huán)境中驅(qū)動和制動。

可變形裝置顯著提高了設計用于在人體和其他非常規(guī)工作環(huán)境中工作的機器人的實用性。

香港城市大學的研究團隊制作了原始機器人設計并進行了實驗測試。達特茅斯團隊對設備進行了機械和數(shù)值分析，并建議對尺寸和形狀等設計元素進行更改。

“利用這項技術(shù)，我們可以創(chuàng)造具有前所未有的機動性的軟變形機器人，”Thayer工程助理教授Zi Chen說。“我們的靈感來自具有不同配置和功能的可變形玩具。結(jié)果是沒有玩具，它可能會改變?nèi)藗兊纳睢?rdquo;

活生物體能夠改變形狀以執(zhí)行特定動作。一只刺猬蜷縮成一個防守球。鳥兒張開翅膀飛翔。諸如維納斯捕蠅草等食蟲植物開啟和關(guān)閉。這項新研究是開發(fā)機器人的長期努力的一部分，這些機器人模仿了自然界中發(fā)現(xiàn)的這種變形行為。

為了有效，新一代機器人需要節(jié)能，并且必須能夠響應不同類型的刺激，如光或熱。

雖然已經(jīng)存在這些類型的機器人的例子，但是研究人員一直在努力創(chuàng)造一種能夠流暢地改變其形狀以允許其按需開始和停止移動的裝置。大多數(shù)現(xiàn)有系統(tǒng)還依賴于由于其幾乎恒定的溫度而難以在人體中刺激的溫度變化。

“使用光線控制機器人運動的能力創(chuàng)造了一個功能更強大的裝置，可以高精度地操作，”最近的博士Xiaomin Han表示。畢業(yè)于Thayer的Chen研究實驗室。

遙控機器人由尾鰭驅(qū)動，模仿鯨魚的游泳動作。該結(jié)構(gòu)以飛機機翼的形狀進行3D打印，然后涂有心肌細胞。與心肌細胞導致心臟連續(xù)搏動的方式相同，它們也通過恒定的波動作用推動該生物混合裝置。

為了控制機器人的運動，研究人員將光敏水凝膠應用于機翼。在沒有光線的情況下，翅膀展開，允許心臟細胞向前推進。當暴露在光線下時，浮動平面縮回其機翼，使其停止。

“心臟肌肉不斷攪動，但他們無法克服機翼的阻力，”陳說。“這就像在緊急制動器上打開加速踏板一樣。”

機器人對近紅外光的高靈敏度創(chuàng)造了一種響應速度，幾乎可以立即改變機翼形狀，使其具有高度的機動性。在這項研究中，研究人員利用浮動平面機器人的“前所未有的可控性和響應性”作為貨物載體，對癌細胞進行靶向藥物輸送。

“我們真的放棄了對癌細胞的毒品炸彈，”陳說。“可轉(zhuǎn)換概念的實現(xiàn)為下一代智能生物混合機器人系統(tǒng)的潛在發(fā)展鋪平了道路。”

生物混合機器人可以生產(chǎn)各種尺寸，范圍從幾毫米到幾十厘米。這種可擴展性使其具有良好的靈活性，可以在困難的環(huán)境中承擔與導航和監(jiān)視相關(guān)的任務。

一項描述該研究的研究首次出現(xiàn)在3月下旬的學術(shù)期刊Small上。

在目前的研究中，研究人員通過使用光來控制整個機器人的起停運動。未來的研究將使用光線對準機器人上的單獨機翼，以便可以更精確地操縱它。

本研究由香港城市大學的彭石和徐秉哲共同完成。來自新加坡國立大學的Yuwei Hu和Chia-Hung Chen以及湖北工業(yè)大學的Yiming Luo也參與了這項研究。