给一个活体生物躯体注入机器的“大脑”,然后人为控制该生物的行为,已经从科幻片走入现实世界。
今日,国际机器人学术顶刊 Science Robotics 上最新发表的一篇新论文,描述了一种用机器视觉、运动控制和导航等算法取代线虫大脑、精密操控活体线虫运动的新方法,创造出一个不受束缚的、高度可控的微型软体机器人,并将其命名为 RoboWorm。
论文链接:
https://robotics.sciencemag.org/content/6/55/eabe3950该论文题目为《通过光遗传运动控制秀丽隐杆线虫,实现活的微型软体机器人》(Toward a living soft microrobot through optogenetic locomotion control of Caenorhabditis elegans),由加拿大多伦多大学机械与工业化学院与 Lunenfeld-Tanenbaum 研究所合作完成。
“生物本身即最完美的机器人。”论文第一作者董先科博士告诉智东西,从机器人学的角度,这一研究相当于做了一个微米尺度的蛇形机器人,只不过用了生物本身的肌肉细胞作为执行器,这使得微型机器人变得更加灵巧,也更像真正意义上的机器人。
一、破解微型机器人的运动控制技术瓶颈学习自然生物的运动是设计微型机器人最有效的策略之一。
得益于数百万年的进化,生物们发展了复杂的身体结构、高效的能量流动和先进的运动控制系统,这些系统超过了任何人造机器。
这些生物的特性,为各种微型机器人的设计提供了巨大的灵感。
微型机器人领域在 MEMS 技术以及光刻蚀技术的迭代之下,近十年来有长足的发展,并逐步在靶向给药、测量细胞器模量、辅助精子移动人工受孕等场景尝试应用。
然而,与自然模型相比,生物启发的微型机器人的结构通常被大幅简化,以促进微型机器人的制造和驱动。因此,这种微型机器人的性能无法与生物体相提并论。
人类若想真正制造尺寸在数百微米乃至数微米的受控微型机器人,目前条件下,仍然存在诸多技术瓶颈。
比如在工艺方面,主要瓶颈在于如何制造装和配微型机器人,如何给这么小的机器人供能。
在原理瓶颈方面,微米环境里粘滞力和摩擦力比重力大几个数量级,用什么结构驱动微型机器人运动,以完成既定任务。
在控制方面,如何测量微型机器人的运动,构成闭环,如何对这么小的机器人实现精密控制等等,都是当前研究面临的挑战。
现阶段学术界开发的微型机器人构造相对简单,多为简单的、能直接用光刻蚀技术加工的微结构体,如微纳米磁块、微米螺旋体、微米管等。操控性和功能大都比较有限。而如果结构过于复杂,在微米尺度下,它们即使能够加工出来也很难装配。
针对这些瓶颈问题,此次在 Science Robotics 上发表的新论文,提出了一种相当有“脑洞”的解决方案:用机器视觉、运动控制和导航算法替代生物的大脑,重构生物的感官运动系统,人为控制活体生物的运动,直接将微米级生物开发为受控微型机器人,以完成微米环境下的特定任务。
▲秀丽隐杆线虫受光驱动激活肌肉群