供稿人：陳文瑜、高琳 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-07-01
近年來(lái)，通過(guò)將機(jī)械部件與生物材料結(jié)合制造而成的生物混合機(jī)器人成為了先進(jìn)機(jī)器人研究的一大熱門方向。這類機(jī)器人將骨骼肌構(gòu)建在柔性基底上，由肌肉組織提供動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。然而，傳統(tǒng)的生物混合機(jī)器人盡管可以進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)或大角度轉(zhuǎn)向，卻很難進(jìn)行精細(xì)的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。
為解決這一問(wèn)題，東京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種仿人類雙足運(yùn)動(dòng)的生物混合雙足機(jī)器人。該機(jī)器人由漂浮體、柔性基板、腿和骨骼肌組織構(gòu)成，其中，機(jī)器人的腿部采用噴墨3D打印技術(shù)制造，以實(shí)現(xiàn)其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，使之具有一定柔性以支持機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。
圖1 由骨骼肌驅(qū)動(dòng)的雙足機(jī)器人
機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)可以分為三個(gè)階段：提升、懸掛和著陸。在第一階段，骨骼肌組織的收縮導(dǎo)致腿部抬升距離持續(xù)增加。在第二階段，由于柔性基板和骨骼肌組織的彈性，懸空的腿會(huì)產(chǎn)生一定的振蕩，當(dāng)懸空腿的前進(jìn)距離達(dá)到最大時(shí)，釋放肌肉的收縮力。第三階段中，懸空腿由于重力落地，機(jī)器人完成向前運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)一條腿的重量固定與底面的接觸點(diǎn)以提供物理旋轉(zhuǎn)中心，從而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)方式由于機(jī)器人在其運(yùn)動(dòng)軸上的距離更短，因此能實(shí)現(xiàn)更精確、自由的運(yùn)動(dòng)。
圖2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的三個(gè)階段
這項(xiàng)研究的結(jié)果為培養(yǎng)的骨骼肌組織驅(qū)動(dòng)的軟機(jī)器人的發(fā)展提供寶貴的見(jiàn)解。此外，這項(xiàng)研究的概念有助于彈性外骨骼的研究，并可以作為動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)模型用于藥物療效研究和病理生理分析。