肌肉驱动的微型机器人，利用无电池无线光电元件进行远程控制

以下文章来源于EngineeringForLife ，作者EFL

将活细胞组件与三维支架相结合，可用于开发载有生物组织的机器人。现有研究表明，该类型的机器人能具有一定的感知、适应环境的能力。近期来自University of Illinois at Urbana-Champaign的Mattia Gazzola教授、Rashid Bashir教授与来自Northwestern University的John A. Rogers教授的联合研究团队在Science Robotics杂志上发表题为“Remote control of muscle-driven miniature robots with battery-free wireless optoelectronics”的研究论文，介绍了一种无需电池、可远程控制的生物混合机器人（eBiobot）。机器人由无线供电的发光二极管（LED）、3D打印的水凝胶支架、肌肉执行器三部分组成。其中肌肉执行器主要包括，经过光遗传学改造的肌肉细胞与细胞外基质。LED阵列可以在外部设备的供电与遥控下周期性地闪烁，光刺激肌肉执行器反复收缩与自然舒张。经过设计的非对称水凝胶支架结构，使得执行器的往复动作能驱动机器人向前爬行。

为了更有效地刺激肌肉细胞，作者使用五个微型无机发光二极管（μ-ILED）形成阵列。相比于单个LED，能在大面积上更高效产生刺激，诱导更大的肌肉收缩力量。机器人支架的尺寸约1.4x0.7厘米，搭载的肌肉执行器可产生约0.6mN的驱动力。

水凝胶支架的结构尺寸，对机器人的运动性能有很大的影响。作者选定机器人的中间梁厚度、前部腿长、前后部腿长差值，结合模拟分析与实验数据，以提升爬行速度为目标对这三个参数进行迭代优化，提升了机器人的运动性能。最终机器人可以在驱动频率4 Hz，脉冲宽度50 ms和无线供电功率10 W的情况下，以最快0.83mm/s的速度运动。搭载不同附件时，也能对平面上的微小物体进行移动或收集。

上述结构的微型机器人仅能实现单向爬行，作者受双足结构启发，将两个肌肉执行器相结合，同时增设微型控制器分别驱动左右部件。除此之外，机器人也集成了近场通信（NFC）芯片，允许对多个机器人进行实时远程控制。分别对左右侧执行器施加1-4Hz、4-4Hz、4-1Hz的刺激时，机器人可实现左转、直行与右转。研究人员展示机器人越障、左转接右转、三个机器人排成“I”字型，以演示其功能。

研究人员将生物肌肉执行器、电子组件、以及水凝胶支架相结合，形成电子生物机器人，并展示了其运动与控制性能。由于肌肉组织的限制，该机器人目前仅能在37℃富含葡萄糖的液体环境下运行。提升执行器性能、降低对外界环境的要求，是可能的未来研究方向。

文章来源：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.add1053

转自：“i学术i科研”微信公众号

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