沈阳自动化所类生命机器人研究获进展

近日,中国科学院沈阳自动化研究所微纳米课题组在类生命机器人领域取得的最新成果,以Simultaneous
Measurement of Multiple Mechanical Properties of Single Cells Using AFM
by Indentation and Vibration
为题,发表在IEEE Transactions on
Biomedical Engineering
上。

类生命机器人是近十年来机器人领域新兴的前沿研究方向,核心是将离体生命单元与传统的机电结构在分子、细胞和组织尺度上进行深度有机的物理和信息融合,形成一种新型的基于生命功能机制的机器人系统,从而使机器人能够兼具生命系统的优势和传统机电系统的优点,如生物体的高能量转换效率、本质安全性,以及机电系统的高强度、高重复性等。类生命机器人有望解决和克服目前制约机器人发展的技术瓶颈和挑战,如能源转化率低、缺乏本质安全和柔顺驱动控制、作业灵活性差等问题。近年来,世界范围内相关研究大多是基于细胞和组织的生物驱动实现,基于光和电的简单速度和方向控制。由于缺乏对基于细胞生物驱动的模型理论研究,类生命机器人面临运动控制、动力学匹配等关键问题和技术挑战。

近日,国际学术期刊Small
以封面刊载的形式,邀请刊载了中国科学院沈阳自动化研究所机器人学研究室微纳米课题组在类生命机器人使能领域的最新成果。该研究利用与超声加工、检测协同设计的纳米操作机器人实现了亚微米尺寸的二硫化钼场效应管的制造,为建立工程化细胞的多维信息同步获取接口提供了有效途径,为实现基于活体细胞的生命本征感知器件的成功制造奠定了基础。

类生命机器人是机器人领域的前沿方向,是将生命体与传统的机电系统有机融合,形成的一种新的类型机器人系统。类生命机器人具备生命体与传统的机电系统的各自优点,如生物体的高能量转换效率、本质安全性,以及机电系统的高强度、高重复性等特点,有望解决制约机器人发展的能源供给、驱动控制、作业灵活性等问题,吸引了全球众多科学家的研究兴趣。尽管经过不断发展,类生命机器人已取得一定成果,但由于缺乏对驱动细胞的多维机械特性同步检测技术和理论研究,类生命机器人的运动控制、动力学匹配等问题依然是当前面临的关键挑战。

近日,中国科学院沈阳自动化研究所微纳米课题组针对上述问题提出了一种基于肌细胞亚细胞结构的细胞机械动力学模型,描述肌细胞跳动的动力学行为。研究以弹簧、变阻尼和电动机等机电部件模拟心肌细胞的亚细胞结构,获得单个心肌细胞的机械动力学模型。在实验验证中,利用扫描离子电导显微镜获取细胞跳动曲线,根据所测得的细胞动态曲线辨识出细胞理论机械动力学模型系统的参数,获得单个活体细胞亚细胞结构的多维物理机电特性(细胞亚结构的粘性、弹性、质量和动作电位)。由于扫描离子电导显微镜具有对生物样本无损检测的特性,同时采用基于活体肌细胞亚细胞结构的建模方法,可实现单细胞亚细胞结构的多维多模态物理特性(粘性、弹性、质量、动作电位)的原位无损同步获取。该研究为以肌细胞为驱动单元的类生命机器人的动力学匹配及控制技术方法研究奠定了理论和技术基础。

该研究将超声与纳米操作机器人结合,将超声的优异特性引入了纳米尺度,利用超声加工的冲击特性提升了加工结构边缘的线性度、减小了加工力,利用超声相位检测与加工能量损耗之间的特定关系实现了任务空间内加工深度的闭环控制,提出了“相位模式”的加工方法,克服了传统纳米操作机器人加工存在的突出问题,并且结合剥离工艺实现了亚微米尺寸的二维材料场效应管的一体化的制造,为基于活体生物材料—二维材料—半导体材料的类生命感知器件的制造提供了更为有效、便捷和灵活的使能技术。

针对上述问题,沈阳自动化所微纳米课题组提出了一种基于受迫振动理论的单细胞多维机械特性同步获取技术。采用振动基底与原子力显微镜相结合的方法,分别获取基底与细胞受迫振动的动态曲线。根据受迫振动理论对动态单细胞进行机械动力学建模,从而根据所测得的动态曲线辨识理论模型中的未知参数,获得单细胞的多维机械特性。

相关研究成果发表在Biophysical
Journal
上,并被作为亮点成果加以推荐展示。该研究得到了国家自然科学基金委、中科院、机器人学国家重点实验室等的资助。

近年来,沈阳自动化所微纳米课题组基于生命系统与机电系统相融合的类生命机器人研究理念,围绕类生命使能技术、类生命感知、类生命驱动和类生命智能开展相关研究。本次封面刊发的研究成果展现了基于先进类生命机器人使能技术的机器人感知系统由非生命介质向生命体介质转变的可能性,向着全面建立类生命机器人系统坚实迈进。课题组该领域的前期成果先后发表在Nature
Communications,Small,ACS Applied Materials & Interfaces,Lab on a
Chip,Nanoscale,IEEE Trans

汇刊等国际期刊,研究布局逐步系统化、体系化,为未来取得更好的成果奠定了工作基础。

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