在浩瀚无边的海洋世界里，有（yǒu）一种鱼拥有（yǒu）巨大的“羽（yǔ）翼（yì）”，像自（zì）带光环的礼服侠（xiá），它（tā）就是蝠鲼，也（yě）被称（chēng）为“魔鬼鱼（yú）”。作为自然界最高（gāo）效的（de）游泳者之一，蝠鲼（fèn）几（jǐ）乎能毫不费力（lì）地在水（shuǐ）中滑（huá）翔，甚（shèn）至在湍急（jí）水流中也（yě）能敏捷地来回游动。

大自然为机（jī）器人的发展提供（gòng）了巨大支持。近（jìn）日，中（zhōng）国科学院沈阳自动（dòng）化研究所类生命（mìng）机器人（rén）研究团队以蝠鲼为（wéi）设计灵感，研发了一种（zhǒng）由体（tǐ）外培（péi）养的骨骼（gé）肌组织驱（qū）动、环（huán）形分布多电极（CDME）控（kòng）制的类生命游动（dòng）机器人，这个机器人仅（jǐn）由一块肌肉组（zǔ）织驱（qū）动就可实现有效推进（jìn）。

仿蝠鲼类生命机（jī）器人示（shì）意图

仿（fǎng）生学是重要（yào）的机（jī）器人研（yán）究方法之（zhī）一，通过模仿自（zì）然生（shēng）物的结构和行为来提高机器人的运动学性能（néng）。而类生命机器人以天然生物材料为机器（qì）人核心要（yào）素，是仿生（shēng）学（xué）的进一（yī）步发展（zhǎn）。例（lì）如，一些活体细胞已经被用于实（shí）现机器人的部分功能（néng），包括感知、控制、驱动（dòng）等，其中（zhōng）驱动作为决定其性能的关键（jiàn）因素，关系到机器人的整体（tǐ）性能（néng）。然而要进一步发展类生命机器人的可（kě）控运动（dòng）性（xìng）能，还需（xū）要创（chuàng）新推进方（fāng）式和（hé）控（kòng）制方法。针对以上难题，研究人员提出了一种基（jī）于CDME的动（dòng）态控制方法。该项研究以论文《基于动态电刺激的“仿蝠鲼类生命机器人”》（A Manta Ray-Inspired Biosesyncretic Robot with Stable Controllability by Dynamic Electric Stimulation）发表（biǎo）在期刊（kān）《类生命系统（tǒng）》（Cyborg and Bionic Systems）上。

论文具体信息（xī）

研究团队发现，CDME产（chǎn）生的电场对（duì）培养基和细胞的伤害（hài）要比传统平（píng）行板电极（jí）要小，并且使用（yòng）该方法可动态（tài）控制所产生的电场方向，使其与机器人的驱动组织保持实（shí）时平行，进而（ér）保证机器人（rén）的稳定可控性。

在材料与结构方面，研究（jiū）团队根（gēn）据蝠鲼的结构设计了机器人的本体骨架（jià），并选用聚二甲（jiǎ）基硅氧烷(PDMS)作为结构的主要材料。为了方便将驱动（dòng）组织和机器人骨（gǔ）架结构（gòu）进（jìn）行装配，研究人员选择了以成肌细胞为（wéi）核心（xīn）所制（zhì）造的（de）环形组织（zhī）作为机器人（rén）的驱动部分。

三维肌肉驱动（dòng）组（zǔ）织制作（zuò）方法示意图

为（wéi）获得（dé）具（jù）有有效收缩力的环（huán）形肌肉组织，研究人员利用CDME的旋（xuán）转电刺（cì）激实现成肌细胞向可（kě）收缩肌管的均匀诱导分化（huà）。此外，为控制机器人以理想速度游动，他们还在装配机器人之前测量了在不同电（diàn）刺激下肌肉组织的（de）收缩力。

肌肉组织测（cè）量示（shì）意图。(a)肌（jī）肉（ròu）组织驱动的（de）PDMS测量结构示意图；(b) PDMS结构在驱动力（lì）作用下的（de）形（xíng）变模拟图。

在验证机器人的（de）稳（wěn）定可控性方面，为控制类生命机器人以理想的速度游动，研究团队（duì）利（lì）用仿真方法分析了（le）机器（qì）人的运动性能与驱动组织收缩力之（zhī）间（jiān）的关系。

类生命机器人（rén）游动仿真。(a)类（lèi）生命机器人模型；(b) 机器人游动（dòng）仿真图；(c) 不同刺激电压下机器人游动仿真结果；(d) 不同刺激频率（lǜ）下机器人游动仿真结果。

为了展示所提出的类生命（mìng）机（jī）器人的稳定可控运动，研究（jiū）人员采用所提（tí）出的（de）动态电刺激方法实现（xiàn）了机器人（rén）以不同速度进行（háng）可控游动。

基于CDME的类（lèi）生命机器人动态控制方法示意图

类生命机（jī）器人游动速（sù）度（dù）与（yǔ）电（diàn）刺激幅值（zhí）和频（pín）率的关系（xì）

在实验中（zhōng），机器人展示了有效的（de）游动和稳定的可控（kòng）性，验证了研究团队提出（chū）的仿生设计和基于（yú）CDME控制方法的（de）有效性。

论文指出，该项研究所提出（chū）的仿生设计与驱动（dòng）控（kòng）制（zhì）方法（fǎ）不（bú）但可以促进类生（shēng）命机器（qì）人的进一（yī）步发展（zhǎn），而（ér）且（qiě）对软体机器人的仿生设计、肌肉（ròu）组织工程等相关领域（yù）也有一定的潜（qián）在指导意义。

不过，现阶段（duàn）的类生（shēng）命机器人（rén）虽然已实现了（le）有（yǒu）效（xiào）的可控运（yùn）动，但（dàn）仍（réng）有许多关键的瓶颈需要被（bèi）突破。例如，所（suǒ）制造的（de）机器（qì）人尺寸大多（duō）为（wéi）厘（lí）米级（jí），难以应（yīng）用于体（tǐ）内（nèi）药（yào）物运输（shū）等场（chǎng）景。因此（cǐ），面向微纳生物结构的3D打印（yìn）、柔性操作等（děng）技术（shù）是（shì）开发（fā）应用于（yú）临床（chuáng）等特殊（shū）环境（jìng）的类生命（mìng）微型机器人的关键。此外，现有的类生命机器（qì）人大多依靠（kào）外部人工刺激实现可控运动，缺乏自主（zhǔ）性。因此，基于活（huó）体（tǐ）细胞的感知与控制方法可应用于类生命（mìng）机器人（rén）研（yán）究，进而实现基于环境信（xìn）息感知的机器人（rén）自主运动。

据悉，《类生（shēng）命系统》是（shì）北京理工大学与美国科学促（cù）进会（AAAS）/Science 共（gòng）同打造的高水平国际英文科技（jì）期刊，入（rù）选“中（zhōng）国科技期刊卓（zhuó）越（yuè）行动（dòng）计（jì）划高起点新刊（kān）”项目。

该论文作（zuò）者（zhě）张（zhāng）闯是中科院沈（shěn）阳自（zì）动化研究（jiū）所副（fù）研（yán）究员，一直专注（zhù）于机电系统与生命（mìng）系统交叉融（róng）合研究。主持NSFC青年科学基金（jīn）项目（mù）、中国博士后科学基金面上（shàng）项目、中科（kē）院基础培（péi）育（yù）基（jī）金项（xiàng）目、中科院特别研究助理（lǐ）资助项（xiàng）目（mù）、辽（liáo）宁省博士启动（dòng）基金（jīn）等（děng）；获（huò）得中（zhōng）科（kē）院（yuàn）院长特别（bié）奖，研究成果（guǒ）入选中国智能制造（zào）十大科技进展、中国机器人（rén）行业（yè）年会“科（kē）学引领奖（jiǎng）”等。