无线人工“大脑”让生物混合机器人畅游无阻

研究人员开发了一种具有人工“大脑”的生物混合神经肌肉机器人，以实现精确的无线控制和导航。

这种蝴蝶形状的 机器人能够有选择地使

其左鳍或右鳍“摆动”并调整移动速度，这或许是通过刺激特定神经元得以实现的。

这些机器人的平均速度达 0.52 ± 0.22 毫米/秒，鳍摆动频率高达 2.0 赫兹，转弯曲率为 0.11 ± 0.04 弧度/毫米。

研究人员在一则声明中表示：“这些发现可以为未来自主生物混合设备的开发提供信息，这些设备可以在集成神经系统的帮助下对环境线索做出反应——这是目前大多数生物混合系统所缺乏的一个特征。”

生物体已经进化出了复杂的运动模式和高效的系统，从而能够与不断变化的环境相互作用。

这种自然灵感促使科学家利用活的心肌或骨骼肌与人工部件相结合，创造出生物混合机器。

这些机器能够模仿类似生命的运动，比如游泳、行走和抓取。

它们复制诸如水母的划水或心脏的跳动这类行为。

尽管取得了进展，然而由于没有神经系统，大多数生物混合机器人难以实时适应周边环境。

最近的进展展示出了一个由运动神经元和肌肉驱动的生物混合游泳者，不过控制其运动依旧具有挑战性。

研究人员强调，把无线电突触纳入这些机器能够改善肌肉控制和反应能力。

该团队表示，新方法旨在选择性地激活肌肉组织并提升信号传输，从而为生物医学和软机器人应用带来更先进且可控的生物混合机器人。

在此次研究中，研究人员展示了将诱导多能干细胞（iPSC）衍生的运动神经元和心肌细胞之间的电突触整合到生物混合机器人中。和化学突触不一样，这些电连接能够实现细胞之间更快的双向通信。

借助具有频率复用2hd.fgvink.com功能的无线生物电子设备，机器人的人工大脑有选择地激活神经元以控制鳍的运动。无线系统发送信号刺激特定的肌肉组织，通过调节其左右鳍实现对机器人速度和方向的独立控制。

该团队在微流控装置中对由人类诱导多能干细胞生成的运动神经元（MNs）和心肌细胞（CMs）进行共同培养，以此来开发他们的设备。

结果，MNs 能够朝着 CMs 的方向移动，并形成运动神经 - 心肌连接。

重要的是，这些连接具有间隙连接通道，形成的是电突触而非化学突触，促进了细胞之间更快的双向传输。

研究人员随后把组织双层纳入一个带有类似蝴蝶翅膀形状的水凝胶鳍和电子部件的柔性支架中，从而实现与机器人的无线通信。

该团队能够借助频率复用无线系统，在不同频率创建信号，从而在生物电子设备的左侧或右侧诱导出电流。

通过电突触，来自人工“大脑”的信号激活了每侧的运动神经元，进而导致心肌收缩。

研究人员表示，测试结果表明，该机器人能够通过交替或同时拍打鳍片的方式来游泳。

该团队在一份声明中称：“有针对性地激活左侧或右侧鳍片中的运动神经元，能让机器人以精确的角度和不同的速度转弯。”

科罗拉多大学博尔德分校的焦点作者妮可·徐（Nicole Xu）表示：“这种生物电子神经肌肉机器人游泳者的出现，为构建能够达成自适应运动控制、感知和学习的自主生物混合机器人系统开辟了一个潜在的前沿方向。”

该团队的相关研究的细节在《科学机器人》杂志上发表。