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沈陽自動化所類生命機器人研究獲進展

發布時間: 2018-01-11 09:01:12 來源:新戰略機器人網

核心提示: 同時采用基于活體肌細胞亞細胞結構的建模方法,可實現單細胞亞細胞結構的多維多模態物理特性(粘性、彈性、質量、動作電位)的原位無損同步獲取。該研究以肌細胞為驅動單元的類生命機器人的動力學匹配及控制技術方法研究奠定了理論和技術基礎。

類生命機器人是近十年來機器人領域新興的前沿研究方向,核心是將離體生命單元與傳統的機電結構在分子、細胞和組織尺度上進行深度有機的物理和信息融合,形成一種新型的基于生命功能機制的機器人系統,從而使機器人能夠兼具生命系統的優勢和傳統機電系統的優點,如生物體的高能量轉換效率、本質安全性,以及機電系統的高強度、高重復性等。類生命機器人有望解決和克服目前制約機器人發展的技術瓶頸和挑戰,如能源轉化率低、缺乏本質安全和柔順驅動控制、作業靈活性差等問題。近年來,世界范圍內相關研究大多是基于細胞和組織的生物驅動實現,基于光和電的簡單速度和方向控制。由于缺乏對基于細胞生物驅動的模型理論研究,類生命機器人面臨運動控制、動力學匹配等關鍵問題和技術挑戰。

近日,中國科學院沈陽自動化研究所微納米課題組針對上述問題提出了一種基于肌細胞亞細胞結構的細胞機械動力學模型,描述肌細胞跳動的動力學行為。研究以彈簧、變阻尼和電動機等機電部件模擬心肌細胞的亞細胞結構,獲得單個心肌細胞的機械動力學模型。在實驗驗證中,利用掃描離子電導顯微鏡獲取細胞跳動曲線,根據所測得的細胞動態曲線辨識出細胞理論機械動力學模型系統的參數,獲得單個活體細胞亞細胞結構的多維物理機電特性(細胞亞結構的粘性、彈性、質量和動作電位)。由于掃描離子電導顯微鏡具有對生物樣本無損檢測的特性,同時采用基于活體肌細胞亞細胞結構的建模方法,可實現單細胞亞細胞結構的多維多模態物理特性(粘性、彈性、質量、動作電位)的原位無損同步獲取。該研究以肌細胞為驅動單元的類生命機器人的動力學匹配及控制技術方法研究奠定了理論和技術基礎。

相關研究成果發表在Biophysical Journal上,并被作為亮點成果加以推薦展示。該研究得到了國家自然科學基金委、中科院、機器人學國家重點實驗室等的資助。

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