类生命机器人发展与未来挑战.docx

一、引言近些年来，随着社会需求的不断提高，机器人己成为现代社会不可或缺的一部分，并且在不同的领域扮演着重要的角色。在20世纪50年代，第一代以液压驱动系统为主体的工业机器人问世。而后，随着机电技术与信息技术的发展，以机电系统为主体的工业机器人得到广泛应用。同时，包括医疗机器人、服务机器人、仿生机器人及仿人机器人在内的不同种类机器人吸引了众多研究者的目光。然而，尽管经过数十年的努力，一些阻碍机器人发展的关键性问题仍然没有得到很好的解决。目前大多数机器人均由机电系统组成，其主要驱动力由电能转换而来，因此大幅度降低了系统的能量利用率。有报道指出，传统的机电系统在能量转换过程中会产生大量的热损失，因此有效机械能仅占所消耗全部能量的30%以下。此外，大多数基于机电系统的传统机器人由金属、导线以及其他硬质材料所构成。这意味着使用这些人工材料和结构的机器人可能缺乏本质安全性、灵活性以及在人机交互应用中的适应性。生命材料本身具有很多优点是人工材料难以达到的。例如，对于人机协同作业来说，大多数生物材料具有所需的柔软性和安全性。并且，生物肌肉可以直接利用化学能，因此，只要在其所处环境中提供合适的营养，这些生物肌肉就可以将化学能直接以较高的效率(50%)转换为运动所需的机械能，而这么高的能量利用率是电动机等非生命驱动器难以达到的。同时，活体生物材料还具有环境自适应、自修复和自组装功能。除了在驱动方面以外，活体生物材料在感知和智能方面也同样具有显著的优势，以现有的科技水平，这些巧妙的系统是很难用人工材料复制的。因此，将生命系统与机电系统在分子、细胞和组织尺度进行深度有机融合,形成一种新的类生命机器人系统，有望集生命体的优点（如高能量效率、高功率质量比及高能量密度）和机电系统的优势（如高精准性、高强度、良好的可重复性和可控性）于一身（图1）。由于这种类生命机器人系统具有比以机电系统为主体的传统机器人更为优越的特性，因此，发展这种新类型的类生命机器人（也被成为生物机器人、生物融合机器人、生物驱动器等）研究已经成为当今机器人领域的研究热点，并且在过去十年中取得了重要的突破。1.ivingbiologicalsystemNon-livingsystemIntrinsicsafetyHighenergyefficiency1.argeenergystorageIntelligentsensingSelf-actuationSeIUepairingHighaccuracyHighstrengthFavorablerepeatabilityCcxitrollabilityArtificialmodifiablityEasyfabrication图1.活体生物系统与机电系统在不同尺度的深度有机融合形成类生命机器人系统。在本文中我们回顾了现有的类生命机器人的相关研究，包括心肌细胞驱动机器人、骨骼肌细胞驱动机器人以及游动细胞驱动机器人，并且我们分别从不同的角度总结了类生命机器人的发展。首先,关于类生命机器人性能的不断拓展，我们做了详细的总结。类生命机器人的功能随着材料、加工方法和控制方法的进步而不断发展。并且，针对于应用于类生命机器人的活体生物材料的特性我们做了详细的总结，包括细胞驱动力、生物材料的尺寸以及活体材料的可控性。而由于类生命机器人所采用的非生命材料不但关乎活体生命材料的性质，如细胞分化、驱动力及生长状态，同时也影响整个类生命机器人的性能，如运动速度、执行力及操控性能。因此本文对目前应用于类生命机器人的非生命材料进行了详细的总结。而后，本文针对于目前类生命机器人所采用的控制方法，如电脉冲刺激、光刺激、温度刺激和化学刺激进行分析，并分别对各种控制方法的特性进行详细讨论。此外，针对于不同种类的类生命机器人，如行走机器人、游动机器人以及操作机器人，本文也做了详细的总结。最后，本文详细讨论了类生命机器人未来发展中的潜在挑战。二、类生命机器人发展回顾在过去的十几年间，研究者经过不断的努力，使得类生命机器人研究领域取得了快速的发展。其中一类最为简单的类生命机器人，基于其非对称结构，在具有自发收缩性的心肌细胞驱动下可实现单一方向的运动。随后，采用收缩可控的活体生物材料，使得类生命机器人具有单一的运动可控性。近年来，为了使类生命机器人具有一定的执行功能，通过引入机器人设计方法和控制理论，使类生命机器人的运动速度和方向具有可控性。表1详细列举了心肌和骨骼肌细胞驱动的类生命机器人的发展历程。表I基于肌肉细胞的类生命机器人的发展TimcDescriptionBiomatcrialsNon-livingmaterialsFunctionsParametersPartialcontrolmethodsRef.2005WalkerCardiomyocytesSiIicon9CrZAuWalking,spontaneitySpeed:38m-s,Nocontrol15120073DfilmCardiomyocytcsPDMSGripping,pumping,walk-Speed:3mmmin,Electriccontroll6)ing.swimming*spontaneityForce:4mNmm22009ManipulatorDVtissuePDMSDeflection,robustness.Deflection:60mNocontrolspontaneity,workinginairForce:100NFrequency:0.5Hz2011DeviceC2CI2Silicon,collagenDisplacementDisplacement:8mElectriccontrol182012WalkerDVtissuePDMSWalking,robustness,spon-Speed:3.511rs1Nocontrol19tancityForce:20N2012WalkerDVtissuePDMSWalking,robustness,spontaneitySpeed:532ms,Chemicalcontrol20)2012WalkerCardiomyocytcsHydrogclWalking,spontaneitySpeed:236m-s,Nocontrol22012SwimmerCardiomyocytesPDMSSwimming,spontaneitySpeed:2.4nuns,Electriccontrol222013ManipulatorC2CI2PDMS,GelatinReflectionReflection:5mHumanskinelectrical(23signalcontrol2013ManipulatorDVtissuePDMSDeflection,robustness.Deflection:250mNocontrol24)spontaneity,workinginairWorking5daysinair2014WalkerOptogeneticsHydrogel.Matrigel.fibrinWalkingSpeed:I56ms,Opticalcontrol25C2CI2collagen2014SwimmerCardiomyocytcsPDMSMovementinalowReynoldsnumberenvironment,spontaneitySpeed:81ms,Nocontrol262016SwimmerCardiomyocytcsPDMS.micro-balloons,nickelpowder,magneticSwimming,spontaneity,stabilitySpeed:142m,岑回士程院院物力particles2016Swimmer1211uclcfromPtxrtocuraMcresin.CoIIa*Si11vningSpeed:4.3nunmin,ElectricCOaCrOl网thebuccalInofgenisolatedfromForce:58.5mNAplyyiaIhept>asusiin2016WaactOtofcncticHydrogel.Mjtrigel.fibrmWalkingSpeed:3IOmx,OptioJcontrol1»)C2CI2collagen2016SwimmerO<fct<icftcar-SylgardIM.Syvd527.Swmmint.turning.SpOnUhSpeed:3.2mms,OpticalcontrolM>Idiomyoc,yunct)"DisUnce:250mm2017WalkerNcuronuBcuIarRx>tocurabkPillWalkmgSpeed:0.54C'w,_><»UmucCirCVMfromApt)'xiaCaltfomtcuPDMS:polydimethylsiloxane;DV:dorsalvessel.可执行简单的自发运动的类生命机器人由具有自发运动特性的活体生物材料驱动，如哺乳动物心肌细胞和昆虫背血管组织。美国加州大学洛杉矶分校的研究者通过采用可自主收缩的心肌细胞作为驱动单元，实现了可进行简单自主运动的类生命机器人雏形。这款类生命机器人本体结构为采用单晶刻蚀的方法得到的硅骨架，并在硅表面覆盖一层铭/金薄膜，近而将心肌细胞培养在金属表面，实现驱动微结构运动。该机器人的腿部结构尺寸为138m长、40m宽、20nm/300nm(辂/金)厚。利用N-异丙基丙烯酰胺可阻止细胞贴壁生长的性质实现心肌细胞在金属薄膜上的图形化排列生长，从而产生更大的收缩合力(可达14mNmrrOO将心肌细胞与机器人本体结构在细胞培养箱中共同培养3天后，使类生命机器人冷却至室温，利用温敏水凝胶(PNIPAAm)从37。C降至室温由凝胶态变为液态的特性，实现类生命机器人脱离基底而被释放。进而，类生命机器人在活体心肌细胞的收缩运动驱动下可实现自主行走运动，其最大运动速率可达38m.s>,平均步频为1.8Hz。而后，日本大阪大学的研究者展示了一款多足的可自主行走的类生命机器人。这种机器人由可自发产生收缩运动的活体昆虫背血管组织驱动，并且这种活体生物材料具有广泛的温度适应性，从而拓宽了类生命机器人的应用环境。该类生命机器人由采用铸造方法得到的聚二甲基硅氧烷(PDMS)结构与取自于尺蟆的昆虫背血管