机器心脏报告
机器之心编辑部
一种原位制造微型机器人的方法被提出，并出现在《科学机器人》的封面上。
近几十年来，关于智能微型机器人的研究越来越多。凭借小型化的组件和系统，微型机器人有望在小范围内执行复杂的任务，如细胞定位、靶向给药和微创手术。微型机器人的发展已经从硬结构转向柔性结构，非约束柔性微型机器人越来越受到人们的关注。
然而，目前在制造无束缚软件微型机器人方面存在一些限制，例如基于传统方法的组装和集成。机器人上的微部件是在不同的地方通过不同的微加工工艺制备的，然后可以组装成一个具有特定功能的微型机器人。
这和自然界的生物不一样。细胞、组织和器官等生物系统通过协调超分子和细胞过程，自下而上地进行自组装。以我们的小鼠为例，在小鼠四肢肌肉骨骼系统的发育过程中，第一步是通过间充质干细胞和生肌细胞的分化增殖，形成四肢的初级骨骼结构和肌肉；然后在骨骼和肌肉之间形成骨嵴和肌腱，形成小鼠的功能性肢体。我们可以称这种小鼠原位构建的发育模式。
如果能够以类似老鼠的方式原位构建微型机器人，机器人系统将更容易形成，避免复杂的组装和集成，从而降低相关成本。
研究证明，原位构建可以用来制造软件微机器人，但其成功应用于微机器人的关键是合适的活性材料。这种材料必须具有特殊的性质，即所需的2D或3D结构可以通过微加工形成图案，并根据目标机械结构进行自组装。
基于此，活性材料可以考虑生物分子马达，生物分子马达主要由生物大分子组成，能有效地将化学能转化为机械能。生物体的所有活动，包括肌肉收缩、物质运输、DNA复制、细胞分裂等。，都追溯到分子层面，是蛋白质大分子具有运动功能的结果。
最近的研究表明，在体外，生物分子马达可以由活性收缩材料组成，人工将分子马达组织成大阵列取得了一些进展，可以达到活细胞中肌肉收缩产生的力和运动水平。
在之前的工作中，有研究人员提出了一种具有光诱导的分子运动收缩网络，它可以在紫外线(UV)照射下形成类似肌肉的层状组织。如果这种网络固定在照射区域，就会产生微牛顿张力。这种人工肌肉放大了分子马达对工程系统宏观运动的纳米级作用。人工分子马达的伸缩性比较强，为微型机器人的应用提供了希望。
现在，来自大阪大学、岐阜大学等机构的研究人员提出了一种原位制造微型机器人的方法。这项研究出现在《科学机器人》的封面上。
地址:https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.aba8212
本研究首先采用微流控芯片，通过光刻技术可以连续图形化水凝胶机械结构(水凝胶预聚物)和人工肌肉驱动器(生物分子马达)，并将其原位集成为功能机器人系统。
其次，PEGDA(聚乙二醇二丙烯酸酯)水凝胶因其机械性能可调、生物相容性和稳定性优异，以及借助非离子表面活性剂在水环境中的流动性而被广泛应用。本研究结合聚乙二醇化水凝胶的力学特性和人工肌肉的收缩特性来改进微型机器人的设计。
下图显示了使用本研究中提出的原位微机器人制造方法生产微机械手爪的过程。其中，微流控芯片由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成，聚二甲基硅氧烷是一种高分子有机硅化合物，包含多个用于混合、制备和集成的微通道。
为了验证所提出的方法，制造了具有不同运动模式的微型机器人和具有独特特性的片上机器人。
人造肌肉可以连接组件的不同部分。下图以微操作器为例说明了所提出方法的有效性。这种机制模仿了人体的肌肉骨骼系统，使用类似肌腱的支柱来有效地传递力。这种微操作器由水凝胶快速制备而成，如下图(b)所示。在下面的图5 (C)中，人造肌肉依次在左侧和右侧经受光化学处理，并且通过在两个方向上旋转机器人臂的关节来进行驾驶测试。根据收缩特性，前臂柱产生的力为0.8 μ N，关节产生的最大力矩为9.6×10 ^ 11n·m，关节旋转角度随时间的变化如下图(D)所示。
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