類生命機(jī)器人是近十年來(lái)機(jī)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(tǒng)的機(jī)電結(jié)構(gòu)在分子、細(xì)胞和組織尺度上進(jìn)行深度有機(jī)的物理和信息融合，形成一種新型的基于生命功能機(jī)制的機(jī)器人系統(tǒng)，從而使機(jī)器人能夠兼具生命系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，如生物體的高能量轉(zhuǎn)換效率、本質(zhì)安全性，以及機(jī)電系統(tǒng)的高強(qiáng)度、高重復(fù)性等。類生命機(jī)器人有望解決和克服目前制約機(jī)器人發(fā)展的技術(shù)瓶頸和挑戰(zhàn)，如能源轉(zhuǎn)化率低、缺乏本質(zhì)安全和柔順驅(qū)動(dòng)控制、作業(yè)靈活性差等問(wèn)題。近年來(lái)，世界范圍內(nèi)相關(guān)研究大多是基于細(xì)胞和組織的生物驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，基于光和電的簡(jiǎn)單速度和方向控制。由于缺乏對(duì)基于細(xì)胞生物驅(qū)動(dòng)的模型理論研究，類生命機(jī)器人面臨運(yùn)動(dòng)控制、動(dòng)力學(xué)匹配等關(guān)鍵問(wèn)題和技術(shù)挑戰(zhàn)。

 

近日，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所微納米課題組針對(duì)上述問(wèn)題提出了一種基于肌細(xì)胞亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的細(xì)胞機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型，描述肌細(xì)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(jī)等機(jī)電部件模擬心肌細(xì)胞的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，獲得單個(gè)心肌細(xì)胞的機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，利用掃描離子電導(dǎo)顯微鏡獲取細(xì)胞跳動(dòng)曲線，根據(jù)所測(cè)得的細(xì)胞動(dòng)態(tài)曲線辨識(shí)出細(xì)胞理論機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型系統(tǒng)的參數(shù)，獲得單個(gè)活體細(xì)胞亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的多維物理機(jī)電特性（細(xì)胞亞結(jié)構(gòu)的粘性、彈性、質(zhì)量和動(dòng)作電位）。由于掃描離子電導(dǎo)顯微鏡具有對(duì)生物樣本無(wú)損檢測(cè)的特性，同時(shí)采用基于活體肌細(xì)胞亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的建模方法，可實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)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(xì)胞為驅(qū)動(dòng)單元的類生命機(jī)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(chǔ)。



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(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院、機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等的資助。