與機(jī)器人相比，人的身體更靈活，能夠進(jìn)行精細(xì)運(yùn)動，并能將能量有效轉(zhuǎn)化為運(yùn)動。日本研究人員從人類步態(tài)中獲得靈感，將肌肉組織和人造材料結(jié)合在一起，制造了一款兩腿生物混合機(jī)器人，使得機(jī)器人能夠行走和旋轉(zhuǎn)。相關(guān)研究1月27日發(fā)表于《物質(zhì)》。
“這是生物學(xué)和機(jī)械學(xué)的融合，作為以生物功能為特色的機(jī)器人技術(shù)新領(lǐng)域，生物混合機(jī)器人的研究最近引起了人們的關(guān)注。”論文通訊作者、日本東京大學(xué)的Shoji Takeuchi說，“使用肌肉作為致動器可以讓我們建造一個緊湊的機(jī)器人，并通過柔軟的觸感實(shí)現(xiàn)高效，無聲的運(yùn)動。”
作為一種創(chuàng)新的兩足設(shè)計，該研究小組的兩足機(jī)器人建立在利用肌肉的生物混合機(jī)器人的傳統(tǒng)之上。肌肉組織驅(qū)動生物混合機(jī)器人向前緩慢行走和游泳，以及轉(zhuǎn)彎——但不是急轉(zhuǎn)彎。然而，能夠旋轉(zhuǎn)和急轉(zhuǎn)彎是機(jī)器人避開障礙物的一個基本特征。
為了制造一個動作精細(xì)、靈活的更敏捷的機(jī)器人，研究人員設(shè)計了一種模仿人類步態(tài)并能夠在水中操作的生物混合機(jī)器人。該機(jī)器人有一個泡沫浮標(biāo)的頂部和加重的腿，以幫助它在水下站直。機(jī)器人的骨架主要由硅橡膠制成，可以彎曲和繃緊以適應(yīng)肌肉運(yùn)動。然后，研究人員將實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的條狀骨骼肌組織連接到硅橡膠和每條腿上。
當(dāng)研究人員用電流刺激肌肉組織時，這些肌肉收縮，從而抬起了腿。當(dāng)電流消散時，腿的腳后跟會向前并著地。通過每5秒鐘在左腿和右腿之間交替進(jìn)行電刺激，生物混合機(jī)器人成功地以5.4毫米/分鐘的速度向前“行走”。為了轉(zhuǎn)彎，研究人員每5秒鐘反復(fù)電擊右腿，而左腿則充當(dāng)錨。最終機(jī)器人在62秒鐘內(nèi)完成了90度左轉(zhuǎn)。研究結(jié)果表明，這種肌肉驅(qū)動的兩足機(jī)器人可以行走、停止，并做出有規(guī)則的轉(zhuǎn)彎動作。
“目前，我們正在手動移動一對電極，分別對腿施加一個電場，這需要時間?！盩akeuchi說，“在未來，通過將電極集成到機(jī)器人中，我們希望能更有效地提高速度。”
該團(tuán)隊(duì)還計劃為雙足機(jī)器人提供關(guān)節(jié)和更厚的肌肉組織，以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、更有力的運(yùn)動。但Takeuchi說，在給機(jī)器人升級更多的生物部件之前，該團(tuán)隊(duì)必須整合一個營養(yǎng)供應(yīng)系統(tǒng)，以維持活體組織和設(shè)備結(jié)構(gòu)，使機(jī)器人能夠在不確定性中操作。
“在實(shí)驗(yàn)室例會上，當(dāng)看到機(jī)器人在視頻中成功行走時，我們爆發(fā)了一陣歡呼。”Takeuchi說:“雖然它們看起來只是一小步，但實(shí)際上，它們是生物混合機(jī)器人的巨大飛躍?！?/span>
