3D打印具有自激勵骨架的生物混合軟機器人

供稿人：武文澤、高琳 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(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胞驅(qū)動的生物混合機器人。這類機器人具有生命系統(tǒng)的如高能量轉(zhuǎn)換效率和安全性等特點，也具有傳統(tǒng)機電系統(tǒng)高強度、高重復性等優(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用價值。發(fā)展生物混合機器人已成為當今國際機器人領(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教授團隊應用3D生物打印技術(shù)開發(fā)了一款以骨骼肌細胞為基礎的厘米級生物混合游泳機器人。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 自激勵骨架生物機器人的設計和制造

這種創(chuàng)新支架的優(yōu)勢在于，通過自發(fā)收縮時的機械自我刺激，改善了組織的分化，并且由于彈簧的恢復力形成了一個反饋回路：肌肉細胞收縮，壓縮彈簧，然后彈簧再伸展開來。通過這個反饋回路，該機器人可以進行自我訓練。這種自我訓練使得機器人的驅(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的生物機器人（791倍），并且可以與以心肌細胞為基礎的機器人相媲美。 這項工作為新一代基于骨骼肌細胞的更強大、更快速的生物混合機器人打開了大門，這些機器人不僅對環(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備用于藥物測試的醫(yī)療平臺的機會。

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