Science子刊封面 | 免组装集成，新研究借助生物分子马达自动构造微型机器人

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Science子刊封面 | 免组装集成，新研究借助生物分子马达自动构造微型机器人

2022 年 9 月 3 日 机器之心

机器之心报道

机器之心编辑部

有研究提出一种原位制造微型机器人的方法，登上《Science Robotics》封面。

几十年来，智能微型机器人的研究越来越多。通过小型化组件和系统，微型机器人有望在小范围内执行复杂的任务，如细胞定位、靶向药物输送和微创手术。微型机器人的发展已经从硬质结构开始向柔性结构过渡，不受束缚的软体微型机器人受到越来越多的关注。

不过目前看来，不受束缚的软体微型机器人的制造存在一些局限性，例如组装和集成都是基于传统方法。机器人上的微型部件通过不同的微加工工艺在不同地方制备，然后才能组装成一个具有特定功能的微型机器人。

这一点和大自然中的生物不同。细胞、组织、器官等生物系统是通过协调超分子和细胞进程自下而上自组装的。我们以小鼠为例，在小鼠肢体肌肉骨骼系统的发育过程中，第一步是通过间充质干细胞、肌源细胞的分化和增殖形成肢体初级骨骼结构和肌肉；然后，骨骼和肌肉之间生成骨嵴和肌腱，形成小鼠的功能性肢体。我们可以将小鼠的这种发育方式称为原位构建（situ constructed）。

如果微型机器人可以用类似于小鼠的方式进行原位构建，那么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。

已有研究证明原位构建可用于制造软体微型机器人，不过将其成功应用于微型机器人的关键是合适的活性材料。这种材料必须具有一种特殊的性质，即通过微加工就能图形化（patterned）所需的 2D 或 3D 结构，并按照目标机械结构自主组装。

基于此，活性材料可以考虑生物分子马达（biomolecular motor），其主要由生物大分子构成，可有效地将化学能转化为机械能。生命体的一切活动，包括肌肉收缩、物质运输、DNA 复制、细胞分裂等，追踪到分子水平都是来源于具有马达功能的蛋白质大分子做功推送的结果。

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，并且人工地将分子马达组织成大阵列取得了一些进展，这些阵列可以达到活细胞中肌肉收缩所产生的力和运动水平。

在之前的工作中，就有研究者提出了一种具有光诱导的分子马达收缩网络，在紫外线 (UV) 照射下，形成肌肉状分层组织。如果将这种网络固定在照射区域，就会产生微牛顿拉力。这种人造肌肉将分子马达的纳米级作用放大到工程系统的宏观运动。人造分子马达的扩展性和收缩性都比较强，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者提出了一种原位制造微型机器人的方法。该研究登上《Science Robotics》封面。

论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.aba8212

该研究首先用到了微流控芯片，它能将水凝胶机械结构（水凝胶预聚物）和人造肌肉执行器（生物分子马达）通过光流光刻技术连续图形化，并在原位集成到一个功能机器人系统中。

其次是 PEGDA（聚乙二醇二丙烯酸酯）水凝胶，其具有可调节的机械性能、优异的生物相容性和稳定性，以及在非离子表面活性剂的帮助下在水环境中可以移动等特点而被广泛应用。该研究将 PEGDA 水凝胶的机械性能和人造肌肉的收缩特性结合，以改进微型机器人的设计。

下图是使用该研究提出的原位微型机器人制造方法生产微型机械抓手的过程。其中，微流控芯片由聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 制成，这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。

为了验证所提方法，该研究制造了运动方式不同的微型机器人和具有独特特性的片上机器人。

人造肌肉可以连接部件的不同部位，下图以微型机械臂为例说明了该研究所提方法的有效性。该机制模仿了人体的肌肉骨骼系统，并使用肌腱状的支柱来有效地传递力。这种微型机械臂是用水凝胶快速制备而成，如下图 (B) 所示。在下图 5(C)中，在左右两侧依次对人造肌肉进行光化处理，并通过双向旋转机械臂关节进行驱动测试。根据收缩特性，前臂立柱产生的力为 0.8 μN，关节产生的扭矩最大为 9.6 × 10^−11 N·m。关节旋转角度随时间变化情况如下图 (D) 所示。