神经肌肉机器人：让人造”肌肉”听从无线指挥
在科幻电影中，我们常常能看到各种神奇的微型机器人在人体内游走、修复受损组织或者输送药物的场景。这些曾经停留在想象中的科技正在逐步走进现实。近年来，随着生物技术、材料科学和机器人技术的飞速发展，科学家们在微型机器人领域取得了一系列突破性进展。特别是在生物混合机器人面，研究人员通过将活体组织与人工材料相结合，创造出了能够游泳、行走、抓取的微型机器人。这些机器人不仅模仿生物体的运动方式，还具备了一定的生物组织特性。然而，如何实现对这些微型机器人的精确控制一直是一个重要挑战。传统的控制方法往往难以达到理想的效果，特别是在需要精确调节运动方向和速度时。而借鉴人体神经系统的工作原理，开发出新型的控制方式，成为了突破这一瓶颈的可能途径。
人体的运动系统是如何工作的？简单来说,我们的大脑发出指令,通过神经元传递给肌肉,肌肉再做出相应的收缩运动。科学家们一直在思考:能否借鉴这种模式,制造出具有类似功能的微型机器人呢？
2024年9月,来自哈佛医学院等机构的研究团队带来了激动人心的突破。他们成功开发出一种可以无线控制的生物电子神经肌肉机器人。这个微型机器人不仅能游泳,还可以通过无线信号精确控制其运动方向和速度。
创新设计：融合生物与电子
这个机器人的核心在于将人体细胞与电子设备巧妙结合。研究团队使用了两种重要的人体细胞:源自人类诱导多能干细胞的运动神经元(iPSC-MNs)和心肌细胞(iPSC-CMs)。这些细胞被培养在特殊设计的支架上,形成类似于生物组织的结构。
突破难点：细胞通讯的新方案
传统的神经-肌肉连接是通过化学物质(神经递质)来传递信号的,就像递送快递一样,需要不断补充”快递员”(神经递质)。研究团队别出心裁地采用了电突触连接方式,让细胞之间通过离子直接交流,就像用即时通讯软件聊天一样,信号传递更快更持久。
无线控制：精确指挥机器人
研究人员开发了一套频率复用生物电子系统,可以通过无线方式向机器人发送控制信号。这个系统就像机器人的”大脑”,能够分别控制机器人左右两侧的”鳍”进行运动。通过调节不同的信号频率(6.78MHz和13.56MHz),可以实现对机器人运动速度和方向的精确控制。
性能表现
这个微型机器人展现出了令人印象深刻的性能:
- 平均游动速度可达每秒0.52±0.22毫米
- “鳍”的摆动频率最高可达2.0赫兹
- 转弯时的路径曲率约为0.11±0.04弧度/毫米
重要意义与应用前景
这项研究的重要性不仅在于创造出了一个新型机器人,更在于它开创了一种全新的设计思路。这种将生物组织与电子控制系统相结合的方法,为未来开发更先进的生物混合机器人铺平了道路。潜在的应用领域包括：
- 医疗领域：可能用于微创手术或药物递送
- 环境监测：用于水质检测等环境监测任务
- 基础研究：为研究生物运动机制提供新的实验平台
创新亮点
- 使用人源细胞：避免了动物实验伦理问题,同时具有更好的稳定性
- 电突触连接：克服了传统化学突触需要不断补充神经递质的限制
- 无线控制系统：实现了对机器人运动的精确远程控制
- 模块化设计：为未来开发更复杂的生物混合系统奠定基础
这项研究展示了生物技术、电子工程和机器人技术融合的美好前景。虽然目前这个机器人还比较简单,但它代表了一个重要的起点。未来,这种技术可能催生出更多令人惊叹的应用,为医疗、环境保护等领域带来革命性的改变。
