類(lèi)生命機器人是近十年來(lái)機器人領(lǐng)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(jìn)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(yōu)勢和傳統機電系統的優(yōu)點(diǎn)，如生物體的高能量轉換效率、本質(zhì)安全性，以及機電系統的高強度、高重復性等。類(lèi)生命機器人有望解決和克服目前制約機器人發(fā)展的技術(shù)瓶頸和挑戰，如能源轉化率低、缺乏本質(zhì)安全和柔順驅動(dòng)控制、作業(yè)靈活性差等問(wèn)題。近年來(lái)，世界范圍內相關(guān)研究大多是基于細胞和組織的生物驅動(dòng)實(shí)現，基于光和電的簡(jiǎn)單速度和方向控制。由于缺乏對基于細胞生物驅動(dòng)的模型理論研究，類(lèi)生命機器人面臨運動(dòng)控制、動(dòng)力學(xué)匹配等關(guān)鍵問(wèn)題和技術(shù)挑戰。
近日，中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所微納米課題組針對上述問(wèn)題提出了一種基于肌細胞亞細胞結構的細胞機械動(dòng)力學(xué)模型，描述肌細胞跳動(dòng)的動(dòng)力學(xué)行為。研究以彈簧、變阻尼和電動(dòng)機等機電部件模擬心肌細胞的亞細胞結構，獲得單個(gè)心肌細胞的機械動(dòng)力學(xué)模型。在實(shí)驗驗證中，利用掃描離子電導顯微鏡獲取細胞跳動(dòng)曲線(xiàn)，根據所測得的細胞動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)辨識出細胞理論機械動(dòng)力學(xué)模型系統的參數，獲得單個(gè)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(zhì)量和動(dòng)作電位）。由于掃描離子電導顯微鏡具有對生物樣本無(wú)損檢測的特性，同時(shí)采用基于活體肌細胞亞細胞結構的建模方法，可實(shí)現單細胞亞細胞結構的多維多模態(tài)物理特性（粘性、彈性、質(zhì)量、動(dòng)作電位）的原位無(wú)損同步獲取。該研究以肌細胞為驅動(dòng)單元的類(lèi)生命機器人的動(dòng)力學(xué)匹配及控制技術(shù)方法研究奠定了理論和技術(shù)基礎。
相關(guān)研究成果發(fā)表在Biophysical Journal上，并被作為亮點(diǎn)成果加以推薦展示。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、中科院、機器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室等的資助。
