在浩瀚无边的海洋世界里，有一（yī）种鱼拥有巨大（dà）的“羽翼”，像自带光环的礼服侠（xiá），它就是蝠鲼，也（yě）被（bèi）称为“魔鬼鱼”。作为自然界最高效的游泳（yǒng）者之一，蝠（fú）鲼几乎能毫不（bú）费力（lì）地在水中滑翔，甚至（zhì）在湍急水流中也能（néng）敏捷地来回游动。

大（dà）自然为机器人（rén）的发展提供了巨大支持。近日，中国科学院沈阳自动化研究所（suǒ）类生命（mìng）机（jī）器人研究团队（duì）以蝠鲼为设计灵感（gǎn），研发了一（yī）种由体外培（péi）养的（de）骨骼肌组织（zhī）驱动、环形分布多（duō）电极（CDME）控制的类生命游（yóu）动（dòng）机器人，这（zhè）个机器人（rén）仅由一块肌肉组（zǔ）织驱动就可实现有效推进。

仿蝠鲼类生（shēng）命机（jī）器人示意（yì）图

仿（fǎng）生学是重要的机器人研究方法之一，通过模仿自然生物（wù）的（de）结（jié）构和行为（wéi）来提高机（jī）器人的运动学性能。而类（lèi）生命机（jī）器人（rén）以天然生（shēng）物（wù）材料为机器人核心要素，是（shì）仿生学的（de）进一步发展。例如（rú），一些活（huó）体细胞已经被用于实现机器人的（de）部分功（gōng）能，包括（kuò）感知（zhī）、控制、驱动等，其中驱（qū）动（dòng）作（zuò）为决定其性能的关键因（yīn）素（sù），关（guān）系（xì）到机器人的整（zhěng）体性能。然而要进（jìn）一步发展类生命机器人（rén）的可控运动性能，还需要创新推（tuī）进方式和控制方法。针对以上难题，研究人员提出了一（yī）种基于CDME的动态控制方法。该项研究以论文《基于动态（tài）电（diàn）刺激的“仿蝠鲼类生命（mìng）机（jī）器人（rén）”》（A Manta Ray-Inspired Biosesyncretic Robot with Stable Controllability by Dynamic Electric Stimulation）发（fā）表在（zài）期刊（kān）《类生命系统》（Cyborg and Bionic Systems）上。

论文具体信息

研究团（tuán）队发现，CDME产（chǎn）生的电场对（duì）培养（yǎng）基和（hé）细胞的伤害（hài）要（yào）比传统平（píng）行板电极要小（xiǎo），并且使用该方法（fǎ）可动态（tài）控制所产生的（de）电场方（fāng）向，使（shǐ）其（qí）与机器人的驱动组织保持实时平行，进（jìn）而保（bǎo）证（zhèng）机器人的（de）稳定可（kě）控性。

在材料与结构方（fāng）面，研究团（tuán）队根据蝠（fú）鲼（fèn）的结（jié）构设计了机器人的本（běn）体骨架，并选（xuǎn）用聚（jù）二甲基（jī）硅（guī）氧烷(PDMS)作为结（jié）构的主要材料（liào）。为了方（fāng）便将（jiāng）驱动组织和（hé）机器人骨（gǔ）架结构进行装（zhuāng）配，研究人员选择（zé）了以成肌（jī）细胞为核心所制（zhì）造的环形组织（zhī）作为（wéi）机器人的驱（qū）动部（bù）分。

三维肌肉驱动组（zǔ）织制作方法示意图

为获（huò）得具有有效收缩力的环形肌肉组（zǔ）织（zhī），研究人员利用CDME的旋（xuán）转电刺激实现成肌细（xì）胞向可收缩肌管的均匀诱导分（fèn）化。此外，为控（kòng）制（zhì）机器人以理想速度（dù）游动，他们还在装（zhuāng）配机器人之前测量了在不同电刺（cì）激下（xià）肌肉组织的收缩（suō）力。

肌肉组织测量示意图（tú）。(a)肌肉（ròu）组织驱动的PDMS测量（liàng）结构示意图（tú）；(b) PDMS结构在驱动力（lì）作用下的形变模（mó）拟图（tú）。

在验证机器人（rén）的（de）稳定可（kě）控性方面，为（wéi）控制类生命机器人以（yǐ）理想的速度（dù）游动，研究团队利用仿真方法分（fèn）析（xī）了机（jī）器人的运动（dòng）性能与驱（qū）动组织收缩力之间的关系。

类（lèi）生命机器人游动仿真。(a)类生命（mìng）机（jī）器人模型；(b) 机器人游动仿（fǎng）真图；(c) 不同（tóng）刺激电压下机器人游动（dòng）仿真结果（guǒ）；(d) 不同刺激频率下机器人游动仿（fǎng）真结果。

为了展（zhǎn）示所提出的类生命机器人的（de）稳（wěn）定可（kě）控运动，研究（jiū）人（rén）员（yuán）采用所提出（chū）的动（dòng）态电刺激方法实现了机器人以不同（tóng）速度进行可（kě）控游动。

基（jī）于CDME的类（lèi）生命机器人动态控制方法示意（yì）图

类（lèi）生命（mìng）机器人游动（dòng）速度与电刺（cì）激幅值和频率的关系

在实验中，机（jī）器人展示了有效的游动和稳定的可（kě）控性，验证了研（yán）究（jiū）团队（duì）提出的仿生设计和（hé）基于CDME控制方法的有效性（xìng）。

论文指（zhǐ）出，该项研（yán）究所提出的仿生设计（jì）与（yǔ）驱动控（kòng）制（zhì）方法不但可以促进类（lèi）生命机器人的进一步发展，而且对软体（tǐ）机器人的仿生（shēng）设计、肌肉组织工程等相关领域也有一定的潜在指导意义。

不过，现阶段的类生命（mìng）机器（qì）人虽然已实现了有效的可控（kòng）运动，但仍有许多（duō）关键的瓶颈需要被突破。例如（rú），所制造的机器人尺寸大多为厘米级，难以应（yīng）用于体内药物运输等场景。因此（cǐ），面向微纳（nà）生物结构的3D打印、柔性（xìng）操作等技术是开发应（yīng）用于临床等特殊环境的类生命微型机器人（rén）的关键。此外，现（xiàn）有的（de）类生命机器人大多（duō）依靠外部人工刺激实现可控运（yùn）动，缺乏自主（zhǔ）性。因此，基于活（huó）体细（xì）胞的（de）感（gǎn）知（zhī）与控制方法可应（yīng）用（yòng）于类（lèi）生命机（jī）器人研究，进而实现（xiàn）基（jī）于环境信息感知的机器人自主运动。

据悉，《类生命系统》是（shì）北（běi）京理工大学与美国科学促进会（AAAS）/Science 共同打（dǎ）造的高水平国际英（yīng）文科技期刊，入（rù）选“中国科技期刊卓越行动计划高起（qǐ）点新刊（kān）”项目。

该论文作者（zhě）张闯是中科（kē）院沈（shěn）阳自动化研究所副研究员，一直（zhí）专（zhuān）注于机电系（xì）统与（yǔ）生命（mìng）系统交叉融（róng）合（hé）研（yán）究。主持NSFC青年科（kē）学基（jī）金项目、中国博士后科学基金面上项（xiàng）目、中科院基础培育基金（jīn）项目、中科院特别研究助理资助项目、辽宁（níng）省博士启动基金等（děng）；获得（dé）中科（kē）院院长特别奖，研究成（chéng）果入选中国智能（néng）制造十大科技进展（zhǎn）、中国（guó）机器（qì）人行业年会“科学引领奖”等。