3D打印具有自激勵骨架的生物混合軟機(jī)器人

供稿人：武文澤、高琳 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

近年來，研究者們將生命系統(tǒng)與機(jī)電系統(tǒng)相結(jié)合，利用3D打印技術(shù)，研發(fā)了多種用活體肌肉組織或細(xì)胞驅(qū)動的生物混合機(jī)器人。這類機(jī)器人具有生命系統(tǒng)的如高能量轉(zhuǎn)換效率和安全性等特點，也具有傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)高強度、高重復(fù)性等優(yōu)勢。其在生物醫(yī)藥、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有重要的潛在應(yīng)用價值。發(fā)展生物混合機(jī)器人已成為當(dāng)今國際機(jī)器人領(lǐng)域高度關(guān)注的前沿科技領(lǐng)域。

近期，西班牙加泰羅尼亞生物工程研究所（IBEC）的Samuel Sanchez教授團(tuán)隊?wèi)?yīng)用3D生物打印技術(shù)開發(fā)了一款以骨骼肌細(xì)胞為基礎(chǔ)的厘米級生物混合游泳機(jī)器人。其最大的創(chuàng)新之處在于使用了一個類蛇形彈簧的支架。

圖1 自激勵骨架生物機(jī)器人的設(shè)計和制造

這種創(chuàng)新支架的優(yōu)勢在于，通過自發(fā)收縮時的機(jī)械自我刺激，改善了組織的分化，并且由于彈簧的恢復(fù)力形成了一個反饋回路：肌肉細(xì)胞收縮，壓縮彈簧，然后彈簧再伸展開來。通過這個反饋回路，該機(jī)器人可以進(jìn)行自我訓(xùn)練。這種自我訓(xùn)練使得機(jī)器人的驅(qū)動力增強和收縮力增大，從而使其具有前所未有的運動速度。其速度優(yōu)于其他以骨骼肌為基礎(chǔ)的生物機(jī)器人（791倍），并且可以與以心肌細(xì)胞為基礎(chǔ)的機(jī)器人相媲美。 這項工作為新一代基于骨骼肌細(xì)胞的更強大、更快速的生物混合機(jī)器人打開了大門，這些機(jī)器人不僅對環(huán)境和藥物輸送有意義，而且對仿生假肢的發(fā)展也有意義。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，用人類肌肉打印這種三維肌肉模型的可能性，提供了將這種高功能的設(shè)備用于藥物測試的醫(yī)療平臺的機(jī)會。

參考文獻(xiàn)：
GUIX M, MESTRE R, PATIñO T, et al. Biohybrid soft robots with self-stimulating skeletons [J]. Science Robotics, 2021, 6(53): eabe7577.