植入活水母体内的微电子技术可以增强推进力

机器人材料的研究人员旨在人工控制动物运动，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、土木和环境工程和机械工程系的Nicole W.Xu和John O.Dabiri在一份新的《科学进步》报告中介绍了一种生物混合机器人，该机器人利用机载微电子技术诱导活水母游泳。

他们测量了通过在比自然行为更快的最佳频率范围内驱动身体收缩来大大增强推进的能力。 这一操作使游泳速度增加了近三倍，尽管动物的代谢支出只增加了两倍，微电子的外部功率输入增加了10米。 生物混合机器人使用的外部功率每质量比以前报道的水生机器人少10到1000倍。 该能力可以提高生物混合机器人相对于本机性能的性能范围，具有生物混合海洋监测机器人的潜在应用前景。

水母是一种引人注目的模型生物，由于其运输成本低，形成节能的水下航行器。 现有的完全由工程材料制造的游泳动物仿生机器人可以达到与自然动物相当的速度，但其效率比水母低几个数量级。 因此，生物杂交水母机器人可以整合活动物来应对软机器人的现有挑战。 研究人员可以利用水母的结构来驱动和解决动力需求，通过探索自然喂养行为，在那里他们从猎物原位提取化学能量。 这种方法还可以通过动物固有的自然伤口愈合过程从损伤中恢复，控制动物的运动，并允许在用户控制的实验中对活体生物力学进行额外的研究。 在本研究中，徐和达比里利用微电子系统对活水母进行外部控制，形成生物杂交机器人，推进水生运动的科学和工程。

为了激活水母作为一种天然支架，该团队利用动物自身的基础代谢来减少额外的动力需求，并利用其肌肉进行驱动，同时依靠自愈和组织再生特性来提高损伤耐受性.. 研究小组假设，增加水母的钟缩频率可以使游泳速度达到极限。 因此，他们通过测量游泳速度和氧气摄入量来计算运输成本(COT)并检验他们的工作假设，从外部控制自由游泳动物的脉冲频率。 以前，这种检查只能通过计算或理论模型进行。

徐等人 选择奥雷利亚奥丽塔作为一个模型有机体；一种扁圆形水母，含有一个灵活的系膜钟和单层冠状和径向肌肉衬里的下鼓表面。 为了游泳，有机体收缩肌肉，以减少钟下腔体积，并喷出水，以提供动力，同时提供额外的贡献，从被动能量回收和吸力为基础的推进。 为了启动这些肌肉收缩，水母沿着钟缘激活了位于传感器器官中的任何轻起搏器。 这些神经簇激活了整个运动神经网络，导致双向肌波传播，起源于自然传播过程中激活的起搏器。

活水母机器人设计集成和设备验证

科学家们首先设计了一种便携式的、独立的微电子游泳控制器，以产生方形脉搏波，并刺激肌肉收缩从0.25Hz到1.00Hz。 他们用一个小百合迷你处理器和一个10米Ah锂聚合物电池组成控制器。 为了直观地确认电信号，徐等人。 将电线串联到小百合发光二极管(LED)。 然后，他们将电极双边插入桶下组织，并保持系统自然浮力与不锈钢垫圈和软木塞。 为了验证游泳控制器可以外部控制水母钟收缩，科学家们开发了一种跟踪钟缘运动的方法。 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生物体的内源性收缩，(2)观察机械嵌入非活性电极是否影响自然动物行为，(3）测试刺激方案以确认外部驱动的收缩。

他们发现，自然动物的行为（或内源性收缩）是不规则的，具有较高的脉率变异性-包括平均峰值频率为0.16Hz。 不活跃的电极没有显著改变频谱，而外部驱动的收缩显示水母肌肉收缩的生理极限在1.4Hz到1.5Hz之间。 该小组在盐水箱中使用植入系统进行游泳试验，并将测量的游泳速度标准化，以考虑动物大小的变化。 在没有刺激的情况下，他们用归一化速度的平均值来缩放归一化游泳速度(即。 0H z)来确定增强因子。 最大增强因子是动物自然游泳速度的2.8倍，即使用机载微电子技术提高游泳速度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力量和来自动物自身代谢的内部力量。 当驱动频率增加时，生物混合机器人水母的微电子系统每公斤消耗更大的瓦特。 然而，与现有的机器人相比，这种生物混合机器人使用的外部功率高达1000倍。 徐等人 将该原型与在硅支架上播种的大鼠心肌细胞制成的Medusoid和机器人射线进行了比较，并与纯机械机器人以及自主水下机器人(AUV)进行了比较。 除了生物混合机器人每质量的低外部功耗的成本效益外，微电子系统从商业上可用的组件中只花费不到20$。 化学定位也是非特异性的，动物在实验后立即恢复。

外部控制的新能力允许徐等人。 探讨游泳频率与代谢率的关系。 耗氧率遵循与提高游泳速度相似的模式，科学家们使用实验代谢速率和实验游泳速度计算了等效的运输成本。 在中等频率下，COT增加，在较高的外部刺激频率下降低.. 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应有的代价。

研究的主要机器人极限是微电子系统相对于动物和微电子功率需求的功率需求。 进一步改进微电子技术可以降低能量成本，扩展的研究也可以努力减少内源性动物收缩，而不损害生物体，以提高基于活体动物的生物杂交机器人的可控性。 海蜇的人工控制可以通过结合微电子传感器来利用现有的标记技术，扩大海洋监测技术，提高其可控性。

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