微型3D打印設(shè)備背包將昆蟲變成遙控機(jī)器人

2022年9月9日，南極熊獲悉，日本理化學(xué)研究所新興物質(zhì)科學(xué)中心（CEMS）的研究人員，使用3D打印技術(shù)創(chuàng)造了一種設(shè)備，可將蟑螂轉(zhuǎn)化為可遠(yuǎn)程控制的機(jī)器人。

△研究人員采用3D打印技術(shù)制造的神經(jīng)控制背包

該團(tuán)隊(duì)的小型設(shè)備背包，由一種彈性聚合物3D打印而成，以緊貼昆蟲彎曲的外殼，還可以攜帶運(yùn)動控制模塊和太陽能電池。通過這些裝置，通過電刺激蟑螂的大腦獲得實(shí)時(shí)導(dǎo)航指令，并且還配備了太陽能電池，可以持續(xù)獲得機(jī)器人的控制權(quán)。

理化學(xué)研究所的Masataka Sasabe說："保持電池電量的充足，是推進(jìn)該研究的核心技術(shù)，因?yàn)闆]有人希望自己的機(jī)械蟑螂突然到處游蕩。雖然，可以通過建立充電樁電池充電，但是考慮到長遠(yuǎn)的發(fā)展，機(jī)器機(jī)載蟑螂會因在返回的途中，不能順利完成既定的任務(wù)和耽擱時(shí)間。因此，最好的解決方案是機(jī)載一塊太陽能電池，可以持續(xù)保持充電狀態(tài)"。

△該團(tuán)隊(duì)提到的有機(jī)太陽能電池模塊結(jié)構(gòu)

機(jī)器搜救昆蟲？
CEMS的科學(xué)家們，引用了南洋理工大學(xué)去年進(jìn)行的半機(jī)械人昆蟲研究，稱可控昆蟲在未來的城市搜索和救援工具中具有巨大的潛力。從理論上講，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這些小生物，可以用來幫助人類探索無法進(jìn)入的危險(xiǎn)區(qū)域。但他們補(bǔ)充說，目前該技術(shù)在為微型控制設(shè)備持續(xù)供電方面，仍然還有很多技術(shù)需要解決。

為了盡可能的減少這些機(jī)器人返回基地充電，因此，科學(xué)家們采用能量收集技術(shù)，盡可能的在移動中充電。雖然酶生物燃料電池的最高記錄輸出為333 μW，并且在之前的研究中已證明足以控制蟑螂，但CEMS團(tuán)隊(duì)目前表示，太陽能設(shè)計(jì)可以在這個基礎(chǔ)上提高到10mW。

考慮到這一點(diǎn)，研究人員將主要問題的突破點(diǎn)，尋找可以將太陽能電池和導(dǎo)航裝置固定在昆蟲身上的方法，而不會給昆蟲帶來太大的負(fù)面影響或損害行為能力。

CEMS科學(xué)家在他們的研究論文中解釋說：“要將設(shè)備集成到表面積有限，并且承載負(fù)載很小昆蟲中并非易事，需要大面積太陽能電池的優(yōu)化設(shè)計(jì)和集成策略。由于太陽能電池的輸出功率與面積成正比，因此，設(shè)備的負(fù)載與活動關(guān)節(jié)之間的接觸，都會大大削弱運(yùn)動能力。”

△3D打印技術(shù)，可以解決蟑螂在通過障礙物時(shí)遇到的問題

將蟑螂變成遙控機(jī)器人
首先科學(xué)家們采用了馬達(dá)加斯加蟑螂，這是世界上最大的蟑螂之一，身體長達(dá)7厘米。使用Formlabs的Form 3 3D打印機(jī)和Elastic 50A材料制造他們的3D打印背包，既可以適應(yīng)昆蟲身體彎曲的靈活性，又可以為電子設(shè)備提供理想的安裝平臺。

研究人員發(fā)現(xiàn)能夠?qū)⒁粋�4微米厚的有機(jī)太陽能電池模塊，安裝在昆蟲的腹部，它可以產(chǎn)生約4.2伏的電力輸出。這個電荷可以用來為一個無線模塊供電，該模塊能夠接收來自外部服務(wù)器的信號，并通過電擊大腦讓蟑螂遵守這些信號。

在早期的障礙物通過測試環(huán)節(jié)中，太陽能電池被證明太厚或僵硬地連接在一起，這種方式減緩了它們的速度，并使它們難以自我糾正。然而，通過用一種樹脂粘合劑取代3微米厚的薄膜將電池固定住，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)他們的昆蟲機(jī)械人要靈活得多。

當(dāng)涉及到充電性能時(shí)，經(jīng)測試太陽能電池模塊，能夠在充滿電后為設(shè)備供電兩小時(shí)。因此，研究人員得出的結(jié)論是，他們的方法是一種有效的“將電子設(shè)備安裝在蟑螂身上的設(shè)計(jì)策略”，這可能有助于 “擴(kuò)大機(jī)械昆蟲的活動范圍和實(shí)現(xiàn)多種功能�！�

△該團(tuán)隊(duì)的研究題目為“將超軟有機(jī)太陽能電池，集成在具有完整移動能力的半機(jī)械人昆蟲身上”的論文中獲得更多內(nèi)容（傳送門）

制造半機(jī)械人蟑螂可能是3D打印研究的小眾領(lǐng)域，但該技術(shù)也被用于開發(fā)人類思維控制和大腦治療設(shè)備。Renishaw 公司的3D打印神經(jīng)注射給藥裝置，目前已取得了重大進(jìn)展，該裝置是Renishaw 與Herantis Pharma共同開發(fā)的一個平臺，用于治療帕金森癥，目前已經(jīng)完成了臨床試驗(yàn)。

在其他地方，去年在 Aston大學(xué)開展的一個項(xiàng)目中，科學(xué)家們探索了3D生物打印，在治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病方面的潛力。作為歐盟支持的Meso-Brain項(xiàng)目中的一部分，該團(tuán)隊(duì)生成了定制的3D打印干細(xì)胞衍生神經(jīng)元，可用于開發(fā)新一代疾病建模和測試工具。