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机器人长出肌肉?或将成为现实

坚固、灵活的胶原蛋白线程具有可定制的特性,可在新一代软机器人中发挥作用。

肌肉、神经与机器人系统整合在一起的想法听起来似乎很“科幻”,不过,美国卡内基梅隆大学机械工程系的研究人员正在一步步使其成为现实

生物混合机器人领域是生物混合和有机机器人小组(简称B.O.R.G.)研究的焦点。小组领导、机械工程助理教授Victoria Webster-Wood表示:“我们的最终目标是将生物材料作为机器人的工程材料,创造出可再生、可降解的机器人。”

在《生物医学工程杂志》上发表的论文中,小组成员之一、博士生孙文环(音译)对如何制造这些用于特殊机器人的材料线展开了深入讨论。这些材料线由一种天然存在于皮肤、韧带和肌腱等结构组织中的蛋白质――胶原蛋白制成。本质上,本研究的目标是更好地了解如何制作机器人的人造肌腱。这些人造胶原蛋白线起着与真正的肌腱相似的作用,即将活体肌肉驱动器与机器人的身体连接,帮助它行走、跳跃或游泳。但是,机器人材料的机械性能对活体肌肉驱动器的生长和表现也有很大的影响,这意味着孙文环也必须探索如何调整材料的机械性能。

孙文环使用了一种被称为 electrocompaction(电压缩)的技术,其原理如下:在电压缩细胞及其所携带的电荷的作用下,通过其中的胶原纤维会紧密结合,形成电化学一致的胶原蛋白(ELAC)线。孙文环发现,压紧之初,这些线出奇地脆弱且难以使用,无法媲美天然的坚固肌腱。“塑料容器周围有静电,因此,线只能附着在墙壁的一边。这让事情变得非常困难。”他解释。此外,虽然研究者目前可以生产很长的胶原蛋白线(孙文环制作了40厘米长的胶原蛋白线),但它们非常薄,其宽度大约在50到100微米之间――大约相当于一根头发的宽度。

经过一段时间的实践,Sun最终通过一系列实验确定了一组制造参数如何影响胶原蛋白线的形成。他还研究了这些参数之间的相互作用,发现它们大部分具有可调属性。此外,孙文环还训练了一种深度神经网络,以便根据特定需求的机械性能来推荐特定的制造参数。这些成果使得“定制肌腱”成为可能。

接下来,Sun将尝试把这些胶原蛋白线输入3D打印机,并利用它们创建不同的形状和结构。

科界原创

编译:橘子 审稿:西莫 责编:陈之涵

期刊来源:《生物医学工程杂志》

期刊编号:0141-5425

原文链接:https://techxplore.com/news/2021-07-tuning-collagen-threads-biohybrid-robots.html

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