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麻省理工学院和宾夕法尼亚大学设计激光照射能收缩肌肉细胞 建仿生机器人
来源:物理学家组织网 | 作者:张巍巍 | 2012/8/31 14:22:26 | 浏览:1368 | 评论:0

  美国麻省理工学院和宾夕法尼亚大学的科学家通过基因改造,设计出了能在激光脉冲照射下收缩的肌肉细胞。这种光敏组织可被用于构建关节型仿生机器人,使其在移动时也能具备和人类一样的力量和灵活性。相关研究论文发表在《芯片实验室》杂志上。

  研究人员基于骨骼肌进行了实验,因为其比心肌或平滑肌都要强劲有力,在人类跑步、走路或进行其他物理运动时会被用到。自然情况下,神经元会发射电子脉冲以刺激肌肉,从而引发肌肉收缩。在实验室中,科学家通常会使用带有微弱电流的电极作为肌肉纤维的刺激源。这种技术虽然有效,但很笨重,而且电极所需的电力也会使机器人陷入缺电的困境。

  不同的是,这次科研人员改用短波激光脉冲来作为外界刺激源,希望骨骼肌细胞也能在激光的刺激下发生抽动。研究人员首先对成肌细胞进行了基因改造,使其能够表达出光激蛋白。随后将成肌细胞融进了较长的肌肉纤维,并用20毫秒的蓝光脉冲对其进行照射。结果显示,当大量的激光束照射在纤维束上时,所有的纤维都发生了收缩。

  另外,他们还将肌纤维和水凝胶互相混合,形成了三维的肌肉组织,并利用激光对这些组织进行刺激测试。研究人员发现,三维肌肉也会按同样的方式进行弯曲和收缩,因此利用小型的微机械芯片对肌肉组织的力量进行了测量。这种芯片内包含多个“井”,每个里面都放置了两幅容易弯曲的纸片。他们把肌肉条粘着在每个纸片上,随后用激光刺激它们。当肌肉收缩时,其也将带动纸片向内弯曲;由于每张纸片的硬度已知,他们能通过其弯曲的角度计算出肌肉的力量大小。

  研究人员表示,这是首个借助光照成功刺激骨骼肌收缩的研究,为控制肌肉提供了新的“无线”方式。这种技术也可为制造高度灵活的仿生机器人奠定基础,其可在1毫米范围内提供10度的自由度,在医疗设备、药物筛选、导航和移动系统等方面能得到广泛应用。相关装置还可作为肌肉训练中心,以增强肌肉组织的力度和韧度,这对因卧床不起缺乏锻炼而导致肌肉张力下降的病患而言绝对是个福音。

总编辑圈点

  传统仿生学通过机械装置实现对自然生物的模仿,但马达、机轴、齿轮等太过复杂笨重,因此对有“生物马达”之称的肌肉组织进行仿生成为研究热点。本研究则更进一步,这种被称为“生物综合设计”的仿生学新理念除了参考自然生物进行设计,还直接使用了真正的肌肉组织,不但融合了生物组织的优点并跳过仿生肌肉阶段,将目标专注于寻找新的理论和方法来实现轻量、低耗的肌肉组织控制系统,同时也模糊了自然物和机械装置的界限。

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