一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人及其工作方法

技术领域

本发明属于生物融合机器人技术领域，涉及一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人及其工作方法。

背景技术

自然界生物经历了数亿年漫长的进化演变，面对严酷的生存竞争，生物的结构、形态、运动模式和控制策略等性能出众，从个体层面到分子层面，生物系统都有精巧结构，具备运动和/或驱动能力，一直以来是机器人系统的模仿学习对象。生物融合机器人是将生命系统与机械系统有机整合的新型软机器人，兼具了生命系统能量密度高、能源低廉、本质安全性的独特优势和机械系统高精准性和可控性等优良特点。

然而，现有生物融合机器人大部分都是单模态机器人，其运动方式单一，运动灵活性有限，难以适应复杂、非结构化的工作环境，极大地限制了生物融合机器人的应用场景。现有的研究使用多模块肌肉组织设计和驱动实现了在单一模态下机器人自由度的提升，如爬行机器人在直行的基础上可以实现转弯运动，但多模块的组织设计增加了机器人的体积和复杂性，其运动灵活和适应的环境依旧十分有限。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人及其工作方法，其结构简单，操控方式简易，在外部电场的驱动控制下能够完成多种运动动作，在液体中具有良好的操控效果。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人，包括，类生命体部分，

所述类生命体部分包括PDMS底层、FN条纹中间层和心肌细胞层；

所述PDMS底层上设置有微沟槽，所述FN条纹中间层以薄膜形式覆盖在含有微沟槽的PDMS底层的上表面，所述心肌细胞层的心肌细胞沿着微沟槽方向定向生长在FN条纹中间层的上方，所述心肌细胞层中的心肌组织中含有肌原纤维；所述机器人划分为胸节、腹节和尾节，所述胸节位于机器人的头部，腹节位于机器人的中间部，尾节位于机器人的尾部。

优选的，所述还包括驱动控制部分，所述驱动控制部分包括刺激器，溶液环境和电极；

通过刺激器的输出端给出电刺激信号，电刺激信号经过成对的电极在溶液环境中形成电场，通过该电场给心肌细胞层提供电信号，从而控制心肌细胞层的心肌细胞的收缩行为，进而控制生物融合机器人的运动。

优选的，所述溶液环境为台式液或培养液，所述电极的材料采用石墨、金、铂和银中的任意一种。

优选的，所述生物融合机器人的驱动电压为4-6V，驱动频率为0.5-2Hz。

优选的，所述胸节与尾节的微沟槽方向与机器人的轴向对称轴平行；所述腹节的微沟槽方向与机器人的轴向对称轴呈45度夹角。

优选的，所述PDMS底层的材料采用聚二甲基硅氧烷，所述FN条纹中间层的材料采用纤连蛋白，

优选的，所述心肌细胞层的材料采用原代乳鼠心肌细胞。

优选的，所述微沟槽的宽度以及相邻微沟槽之间的间距均为20μm。

优选的，所述的生物融合机器人的运动模态包括游动模态、直立摆动模态、匍匐爬行模态以及侧爬行模态；

所述游动模态为腹节和尾节的快速收缩拨动水流，赋予机器人自身向前的加速度，舒张状态回复时受水阻力，速度减慢但仍向前运动，从而产生净位移，呈现游动模态；

所述直立摆动模态为当PDMS底层接触爬行平面时，心肌细胞层的心肌组织的收缩使机器人的类生命体部分曲率增大，机器人向前运动；当心肌细胞层接触爬行平面时，心肌细胞层的心肌组织收缩导致机器人的类生命体部分短暂离开爬行平面，并获得前进速度，呈现直立摆动模态；

所述匍匐爬行模态为胸节与尾节两端与爬行平面接触，都受到线摩擦力，当心肌细胞层的心肌组织收缩时，机器人的类生命体部分曲率变大，胸节与尾节两端向中心移动，且尾节与腹节曲率变化更大，机器人类生命体部分的重心向腹节与尾节移动，呈现匍匐爬行模态；

所述侧爬行模态为机器人的曲率使侧轮廓与爬行平面间的接触形成类三角形态，协助稳定侧立姿态，腹节强大的收缩使其克服摩擦力，产生净位移，胸节和尾节在随后的心肌组织舒张期短暂上抬，摩擦力减小，随着机器人的类生命体部分曲率回复而移动，呈现侧爬行模态。

一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人的工作方法，包括，

当心肌细胞层的心肌组织中的肌原纤维，随着心肌细胞成熟，肌原纤维收缩力增强，心肌组织产生被动应力，该应力拉动所述PDMS底层和FN条纹中间层，向心肌细胞层一侧弯曲，机器人产生弯曲曲率；

当心肌细胞层的心肌组织自发搏动或受控激活，心肌组织收缩，对PDMS底层和FN条纹中间层的拉应力增大，两者产生进一步弹性形变，使得机器人的弯曲曲率进一步增大；

当心肌细胞层中心肌组织收缩后自然舒张，对PDMS底层和FN条纹中间层的拉应力减小，机器人的弯曲曲率恢复。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人及其工作方法，包括类生命体部分按照材料划分，可分为PDMS底层，FN条纹中间层和心肌细胞层；按运动功能划分，所述类生命体部分分为头节，腹节和尾节。PDMS底层有微沟槽作为细胞定向地形线索，心肌细胞沿定向线索生长，从而产生各向异性的驱动力。本发明PDMS底层有微沟槽作为细胞定向地形线索，心肌细胞沿定向线索生长，从而产生各向异性的驱动力，有助于多模态运动，也有助于提高机器人的运动能力；通过心肌细胞层的收缩舒张，改变类生命体部分的曲率，从而实现基本运动，本发明的机器人其结构简单，操控方式简易，在外部电场的驱动控制下能够完成多种运动动作，在液体中具有良好的操控效果。

进一步，本发明在与多种外界环境交互作用下，具有游动、直立摆动、匍匐爬行、侧爬行四种运动模态；

进一步，本发明在不同的电刺激环境中展现出不同的运动能力，可以通过改变外界电刺激环境简单实现机器人的转向与速度控制；

进一步，本发明仅由一层心肌细胞，一层纤连蛋白和一层PDFM基底组成了机器人的类生命体运动部分，结构简单，制造方便；

进一步，本发明仅使用一层肌肉层实现了多模态运动，相较于多模块肌肉组织结构更加简单，使用更加灵活。

附图说明

图1为仿口虾蛄机器人样机的结构示意图；

图2为仿口虾蛄机器人类生命体结构示意图；

图3为仿口虾蛄机器人类生命体尺寸示意图；

图4为仿口虾蛄机器人运动机理图；

图5为仿口虾蛄机器人多模态运动概述图；

图6为仿口虾蛄机器人多模态运动机理图；其中，图a为游动模态，图b为直立摆动模态，图c为匍匐爬行模态，图d为侧爬行模态；

图7为仿口虾蛄机器人类生命体制备流程图；

图中：1.刺激器，2.溶液环境，3.电极，4.PDMS底层，5.FN条纹中间层，6.心肌细胞层。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将结合附图及具体的实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的范围。

如图1至图7所示，本发明涉及一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人，对于实现生物机器人多模态具有重要意义。具体地，一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人，包括刺激器1，溶液环境2，电极3，PDMS底层4，FN条纹中间层5和心肌细胞6。其中，刺激器1，溶液环境2和电极3统称为驱动控制部分，PDMS底层4，FN条纹中间层5和心肌细胞层6统称为类生命体部分。

所述刺激器1为AMPI公司的Master9的脉冲频率发生器或具有类似的调节输出电压、频率的刺激器。

所述溶液环境2为台式液或培养液，或具有能够保持细胞活性、为细胞运动提供营养，并具有一定导电性的溶液。

所述电极3的材料为石墨，石墨对于心肌细胞的驱动和活性维持具有更好效果，但应注意其它常见种类的电极如金、铂、银等也能实现驱动功能，也属于本发明范畴。

所述驱动控制部分，其功能为控制机器人的运动速度、方向，以及在心肌细胞层6自发搏动微弱的情况下激活心肌细胞。其工作机理为：通过刺激器1的输出端给出控制机器人运动需要的特定电压、频率的电刺激信号，信号经过成对的电极3在溶液环境2中形成电场，通过该电场给心肌细胞层6提供电信号，从而控制心肌的收缩行为，进而控制机器人的运动。

如图2所示，按照材料划分，所述类生命体部分可分为PDMS底层4，FN条纹中间层5和心肌细胞层6；按照运动功能划分，所述类生命体部分分为胸节A，腹节B和尾节C。

机器人各结构的如图3所示，类生命体部分总长度参考值为11.99mm，最大宽度参考值为3.273mm，胸节A参考长度为2.19mm，腹节B参考长度为5.09mm，尾节C参考长度为3.19mm。应注意该图所示以及下文提及的参考尺寸均为本发明的一部分实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所给出的其它所有参考尺寸都属于本发明范畴。

如图2、图3所示，所述PDMS底层4，其厚度约50μm，材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。PDMS材料具有生物相容性高，理化性质稳定可靠的优秀特性，其成型性好，刚度可调，加工难度低，易于获得高保真的微米级结构。可以通过调整该基底成分、厚度等工艺参数，调整整个驱动节段的刚度。

如图2、图3所示，所述FN条纹中间层5，其厚度为10-20μm，材料为纤连蛋白。纤连蛋白存在于多种动物细胞表面的大分子细胞外膜蛋白，是细胞外基质和基底膜中的主要非胶原性糖蛋白。在细胞黏附中起中心作用，可调节细胞极性、分化和生长。

如图2、图3所示，所述心肌细胞层6，其厚度约10μm，材料为原代乳鼠心肌细胞。心肌细胞能够自发收缩，通过施加电信号，其收缩行为可调。与其他可收缩的活性生物组织(骨骼肌、昆虫背血管等)相比，收缩能力更强。

如图2、图3所示，所述PDMS底层4，其形状具有轴对称性，上表面由微小、规则、具有方向性的壁状结构构成一系列微沟槽，作为细胞定向地形线索。其中胸节A与尾节C的微沟槽方向与对称轴平行，腹节B的微沟槽方向与对称轴呈45度夹角。微沟槽的宽度、相邻微沟槽之间的间距均为20μm。微沟槽引导所述心肌细胞层6中的原代心肌细胞沿定向线索生长，从而产生各向异性的驱动力。

所述PDMS底层4、FN条纹中间层5、心肌细胞层6，其三者组装关系为：PDMS底层4为基底，FN条纹中间层5以薄膜形式覆盖在含有微沟槽的PDMS底层4的上表面，心肌细胞层6沿着微沟槽方向定向生长在FN条纹中间层5的上方。

如图4所示，本发明所述的生物融合机器人，其基本运动主要通过图2所述心肌细胞层6的收缩舒张完成。具体为：

1)由于心肌细胞层6中的心肌组织含有可收缩的肌原纤维，随着细胞成熟，肌原纤维收缩力增强，心肌组织产生被动应力，这一应力拉动图2所述PDMS底层4和FN条纹中间层5，因此机器人类生命体部分在没有驱动电信号情况下依然具有一定曲率，向心肌细胞层6一侧弯曲；

2)当心肌组织自发搏动或受控激活，组织收缩，对PDMS底层4和FN条纹中间层5的拉应力增大，两者产生进一步弹性形变，表现为机器人类生命体部分弯曲曲率进一步增大；

3)心肌组织收缩后自然舒张，对PDMS底层4和FN条纹中间层5的拉应力减小，表现为机器人类生命体部分弯曲曲率恢复。

如图5、图6所示，本发明所述的生物融合机器人，具有游动、直立摆动、匍匐爬行、侧爬行四种运动模态，a为游动模态，b为直立摆动模态，c为匍匐爬行模态，d为侧爬行模态。其具体运动原理为：

1)对于所述游动模态，如图6-a所示，仅需要克服水阻力，通过图2所述腹节B和尾节C的快速收缩拨动水流，赋予自身向前的加速度，舒张态回复时受水阻力，速度减慢但仍然向前，从而产生净位移。

2)对于所述直立摆动模态，如图6-b所示，由于尾节C较胸节A大，尾节C端接触爬行平面。根据容器底面接触PDMS底层4或心肌细胞层6的不同，展现出两种运动机制。当容器底面接触PDMS底层4时，心肌组织的收缩使机器人类生命体部分整体曲率增大，驱动效果类似于水母的喷射推进，使机器人类生命体部分向前运动。当容器底面接触心肌细胞层6时，细胞收缩导致机器人类生命体部分短暂离开爬行平面，并获得一定的前进速度，当心肌细胞舒张，尾节C重新锚定爬行平面，完成位移。

3)对于所述匍匐爬行模态，如图6-c所示，胸节A与尾节C两端与爬行平面接触，都受到线摩擦力。当心肌细胞收缩时，机器人类生命体部分曲率变大，头尾两端向中心移动。其中尾节C与腹节B曲率变化更大，机器人类生命体部分重心向腹节B、尾节C移动，此即匍匐爬行模态净位移。随后心肌细胞舒张，完成位移。

4)对于所述侧爬行模态，如图6-d所示，机器人的曲率使侧轮廓与爬行平面间的接触形成类三角形态，协助稳定侧立姿态。腹节B强大的收缩使其克服摩擦力，产生净位移，胸节A和尾节C在随后的细胞舒张期短暂上抬，摩擦力减小，随着机器人类生命体部分曲率回复而移动。

对于本发明所述的生物融合机器人，通过更改电刺激参数，可对其运动行为进行调节，其具体实现为：

1)驱动电压：本发明所述生物融合机器人驱动电压为4-6V，过低的驱动电压无法驱动机器人，而过高驱动电压则会影响机器人活性。

2)驱动频率：本发明所述的生物融合机器人驱动频率为0.5-2Hz，过高驱动频率会导致心肌细胞强直收缩而无法舒张，从而无法完成运动过程。当驱动频率为1Hz左右时，机器人具有最大运动速度。

3)转向策略：本发明所述生物融合机器人类生命体自身即能够发生顺应电场方向的转向，而无需多个独立生命驱动体来提供不对称的动力实现，仅需更改电场方向即可实现机器人类生命体转向，从而简化了转向控制策略。

4)速度控制策略：本发明所述生物融合机器人，类生命体部分在合适的电压、驱动频率下，运动速度与驱动频率相关，因此仅需调节驱动电压的频率，即可实现机器人类生命体运动频率的改变，进而改变机器人类生命体运动的速度。

如图7所示，本发明所述的生物融合机器人，其类生命体部分制造过程主要有：硅模具制备，PDMS基底膜旋涂，定向图案支架制备，原代心肌细胞培养，机器人样机制备。各制造过程先后顺序为：首先制备硅模具，同时准备好PDMS基底膜旋涂；然后用硅模具和基底膜制备定向图案支架；同时培养好原代心肌细胞；最后将原代心肌细胞接种至定向图案支架，完成机器人类生命体部分的制备。部分过程具体制造方案为：

1)对于图中所述硅模具，其制造方案为：将光刻胶旋涂于硅片上，放上光掩模，置于光刻机的紫外光下照射90秒，掩模版白色部分下方的光刻胶被曝光，黑色部分下方的光刻胶不受影响；拿开掩模版，将硅片放入5‰的氢氧化钠溶液中，由于EPG535为正向光刻胶，被曝光后生成羧酸，可溶于氢氧化钠溶液，最终仅保留掩模版黑色部分下方未曝光的光刻胶。清洗后，对硅片进行等离子刻蚀，用丙酮清洗后得到硅模具。在硅模具表面生长一层含C和F原子的薄层，使硅模具表面疏水，能够多次进行翻模。

2)对于图2所述PDMS底层4，其定向图案支架的制造方案为：称取约8g PDMS预聚物，与固化剂质量比例为10：1，混合后搅拌均匀，并抽真空去除气泡。将PDMS混合物倒在硅模具上，覆盖所有图案区域。再次抽真空除气，并使PDMS充满硅模具微结构。将硅片吸附在台式匀胶机中心，以1000rpm，1分钟旋涂PDMS。在室温放置48h或65℃下放置3h完成PDMS固化。根据幅面切割PDMS薄膜，将其转移至载玻片上。使用激光划片机加工出机器人类生命体部分外轮廓。

3)对于所述心肌细胞层6，其制造方案为：将原代乳鼠心肌细胞静置培养48h，接种至定向支架上，每个支架接种106个细胞。将培养机器人类生命体部分的载玻片转移至室温含1％双抗的台式液里，静置24h以上释放机器人类生命体部分。之后放入二氧化碳培养箱2h以回复至最佳驱动温度。

(A)本发明仅由一层心肌细胞，一层纤连蛋白和一层PDFM基底组成了机器人的类生命体运动部分，结构简单，制造方便；

(B)本发明仅使用一层肌肉层实现了多模态运动，相较于多模块肌肉组织结构更加简单，使用更加灵活；

(C)本发明微沟槽作为细胞定向地形线索，心肌细胞沿定向线索生长，从而产生各向异性的驱动力，有助于多模态运动，也有助于提高机器人的运动能力；

(D)本发明在与多种外界环境的交互下，可以实现游动、直立摆动、匍匐爬行、侧爬行等多种运动模态；

(E)本发明在不同的电刺激环境中展现出不同的运动能力，可以通过改变外界电刺激环境简单实现机器人的转向与速度控制；

(F)提供了一种多模态的生物融合机器人的设计与制造方法，有助于多模态机器人的加工制造以及应用实现。

本文中所描述的具体实例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做修改或补充或采取类似的方法替代，但不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。