嵌入水母中的微电子器件可增强推进力

 
机器人材料的研究人员旨在人为地控制动物的运动，以解决软机器人中驱动，控制和功率需求方面的现有挑战。斯坦福大学生物工程学，土木与环境工程学和机械工程学系的Nicole W. Xu和John O.Dabiri在《科学进展》的新报告中介绍了一种生物混合机器人，该机器人利用板载微电子技术诱使活水母游泳。他们测量了在最佳频率范围内以比自然行为更快的速度驱动身体收缩来显着增强推进力的能力。这种动作将游泳速度提高了近三倍，尽管动物的代谢消耗仅增加了两倍，而输入微电子设备的外部功率只有10毫瓦。这种生物混合型机器人每质量所消耗的外部功率比以前报道的水生机器人少10至1000倍。相对于本地性能，该功能可以提高生物混合机器人的性能范围，并有可能作为生物混合海洋监控机器人应用。
水母由于具有较低的运输成本(COT)而成为形成节能型水下航行器的引人注目的模型生物。现有的完全由工程材料制成的游泳动物仿生机器人可以实现与自然动物相当的速度，但效率要比水母低几个数量级。因此，生物混合水母机器人可以整合活体动物，以应对软机器人技术的现有挑战。研究人员可以利用水母结构进行驱动，并通过探索自然进食行为来解决动力需求，从而从原地从猎物中提取化学能。该方法还可以通过动物固有的自然伤口愈合过程从损害中恢复过来，控制动物的运动，并允许在用户控制的实验中对活生物体生物力学进行其他研究。在这项研究中，Xu和Dabiri使用微电子系统从外部控制活水母，并形成了生物混合机器人，以推动水上运动的科学与工程。
为了激活水母作为天然支架，研究小组利用了动物自身的基础代谢来减少额外的能量需求，并利用其肌肉进行致动，同时依靠自我修复和组织再生特性来提高损伤耐受性。该小组假设，增加水母的钟形收缩频率可以将游泳速度提高到极限。因此，他们通过测量游泳速度和氧气摄入量来外部计算自由游泳动物的脉冲频率，以计算运输成本(COT)并测试其工作假设。以前，此类检查只能通过计算或理论模型进行。

 
徐等。选择极光木作为模型生物;一种扁圆形的水母，包含灵活的中脑钟和位于伞下表面的冠状和radial肌单层。为了游泳，生物体收缩肌肉以减少伞下腔的容积，并喷射水以提供动力，同时还包括被动能量回收和基于吸力的推进作用。为了启动这些肌肉收缩，水母激活了位于钟形边缘的称为“ rhopalia”的传感器官中的任何轻型起搏器。这些神经簇激活了整个运动神经网，从而引起了双向的肌肉波传播，这是由于自然起搏过程中被激活的起搏器引起的。
活水母中的机器人设计集成和设备验证
科学家首先设计了一种便携式，独立的微电子游泳控制器，以产生方波并刺激0.25 Hz至1.00 Hz的肌肉收缩。他们将控制器与TinyLily微型处理器和10 mAh锂聚合物电池组成。为了在视觉上确认电信号，Xu等人。将电线串联连接到TinyLily发光二极管(LED)。然后，他们将电极双向插入到伞下组织中，并用不锈钢垫圈和软木塞使系统自然漂浮。为了验证游泳控制器可以从外部控制水母铃铛的收缩，科学家们开发了一种追踪铃铛边缘运动的方法。为此，他们完成了三组实验，(1)在没有任何干扰的情况下观察有机体的内源性收缩，(2)观察机械嵌入的非活性电极是否影响了自然动物的行为，(3)测试刺激方案确认外部驱动的宫缩。

 
他们发现，自然动物行为(或内源性收缩)是不规则的，具有高脉率变异性-包括0.16 Hz的平均峰值频率。惰性电极不会显着改变频谱，而外部驱动的收缩表现出水母肌肉收缩在1.4 Hz至1.5 Hz之间的生理极限。该团队使用植入式系统在盐水罐中进行了游泳试验，并对测量的游泳速度进行了归一化，以说明动物体型的变化。他们在没有刺激(即0 Hz)的情况下，通过归一化速度的平均值来缩放归一化游泳速度，以确定增强因子。最大增强因子高达动物自然游泳速度的2.8倍，即，使用板载微电子设备提高的游泳速度高达2.8倍。
高效的设备功耗
人工控制的水母需要来自微电子系统的外部电源和来自动物自身新陈代谢的内部电源。当以更高的频率驱动时，生物混合机器人水母的微电子系统每千克消耗的瓦数更高。但是，与现有的机器人相比，这种生物混合型机器人消耗的外部功率最多减少了1000倍。徐等。将该原型与由植入硅支架上的大鼠心肌细胞制成的类固醇和机器人射线以及纯机械机器人以及自动水下机器人(AUV)进行了比较。除了生物混合机器人每单位质量的外部功耗低带来的成本效益外，微电子系统的市售组件成本也不到20美元。电定位也是非特异性的，实验后动物立即恢复。

 
外部控制的新功能使Xu等人成为可能。解决游泳频率和代谢率之间的关系。耗氧率遵循与提高游泳速度相似的模式，科学家们使用实验性代谢率和实验性游泳速度来计算等效的运输成本。 COT在中频处增加，而在高外部刺激频率处减少。结果表明，增强的水母游泳不会对动物的新陈代谢或健康造成不必要的损失。
这项研究的主要机器人限制是微电子系统相对于动物对微电子的电力需求所需要的功率。微电子学的进一步改进可以降低能源成本，并且扩展的研究还可以在不损害生物体的情况下努力最大程度地减少内源性动物收缩，从而提高基于活体动物的生物混合机器人的可控性。通过结合微电子传感器来利用现有的标签技术，对水母的人工控制可以扩大海洋监测技术的可控性。