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身轻体柔易推倒的生物机器人伴侣:还得等多久?

       听到机器人,大多数人都会想到一堆金属和塑料零件——它们通常是由各种螺母螺栓组装而成的硬机器人。

       目前,机器人正在走出实验室,进入人们的日常生活,承担各种任务。对于那些与机器人打交道的人来说,这种硬件设计会造成安全风险。例如,当一个工业机器人意外遇到人类工人时,后果不是一个笑话——轻充血,严重伤害肌肉和骨骼。

       如何应对硬体机器人的安全风险?

       世界各地的工程师越来越倾向于使机器人更柔软、更顺从的设计方案——外观不再是硬机械,而是更接近轻体容易推倒的小动物。对于电机等传统驱动器,这意味着使用人工空气肌肉或在传动系统中添加弹簧结构。

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德国Festo:空气肌肉机器人概念图

       再比如凯斯西储大学Whegs机器人,它的电机和脚轮之间有一个弹簧装置。弹簧能吸收部分能量,减少人身伤害。见下图:

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       Roomba扫地机器人就是另一个例子,它的保险杠由弹簧承载,不会损坏撞到的东西(类似汽车的挡泥板)。

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Roomba弹簧承载装置的保险杠

       然而,一个发展中的研究领域决定找到另一种方法。研究人员开始将机器人技术与生物组织工程相结合,用活的肌肉组织和细胞制造机器人。细胞通过光和电刺激收缩,研究人员可以控制机器人四肢的弯曲,使其划水和爬行。这种生物机器人柔软,与动物非常相似。这种机器人显然比在人们周围工作更安全。此外,与传统机器人相比,它们对环境的损害更小。此外,生物机器人主要使用营养来补充能量,而不需要大型电池组。这使得它们比硬机器人更轻。

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钛板上的生物机器人

       如何开发生物机器人?

       研究人员通过繁殖细胞制造生物机器人。一般来说,他们会选择鸡和老鼠的心肌或骨骼肌来增殖活细胞无毒副作用的支架。如果基板是由聚合物制成的(polymer),生物合成机器人-天然材料和人造材料的混合物。

       然而,如果将细胞组织直接放置在模具骨架上,它将导致前者在各个方向上的野蛮生长。这意味着当电刺激使其移动时,细胞组织的收缩力将均匀地应用于各个方向——根本无法准确控制,效率低下。

       研究人员求助于细胞图案化技术,以更好地控制细胞的力量(micropatterning) 。他们喜欢用细胞附着在上面的材料上,并在骨架上印上微尺度的线条。这些线起着向导作用——细胞组织倾向于沿着它生长。因此,研究人员获得了符合设计图案的细胞排列,如何在基板上施加肌肉收缩力变得可控。因此,所有的细胞都可以合作,使生物机器人的腿或鳍像动物一样移动,而不是刺激后随意收缩的肉。

       仿生合成生物机器人

       除了各种生物合成机器人外,研究人员还创造了一些被皮肤胶原蛋白取代的纯生物机器人基板聚合物,成为机器人的身体。当它们受到电刺激时,它们可以爬行或游泳。受医学组织工程技术的启发,一些研究人员开发了一种可以使用直臂(悬臂)向前移动的机器人。

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