生物混合爬行機(jī)器人問世光控神經(jīng)肌肉系統(tǒng)

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2025-09-15 14:05:39 手機(jī)光明網(wǎng)

一種新型生物混合機(jī)器人問世，能夠在光刺激下以不同速度實(shí)現(xiàn)爬行。這項(xiàng)研究揭示了神經(jīng)信號(hào)與肌肉驅(qū)動(dòng)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，表明神經(jīng)元有望成為控制復(fù)雜生物混合系統(tǒng)的潛在“生物控制器”。研究成果發(fā)表在最新一期《科學(xué)·機(jī)器人》上。

來自美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校、西北大學(xué)等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)集成骨骼肌與運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的系統(tǒng)，二者共同培育在一種水凝膠支架上，并通過神經(jīng)肌肉連接實(shí)現(xiàn)功能整合。這種連接可通過無線光遺傳學(xué)技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，使研究人員能夠遠(yuǎn)程激活或調(diào)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)行為。

該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，配備一條短腿和一條長(zhǎng)腿，其運(yùn)動(dòng)機(jī)制依賴于肌肉的周期性收縮與舒張。當(dāng)肌肉收縮時(shí)，兩條腿向彼此靠攏；當(dāng)肌肉放松時(shí)，它們則重新分離。由于短腿在形變過程中彎曲程度更大，這種不對(duì)稱的運(yùn)動(dòng)模式促使機(jī)器人整體向長(zhǎng)腿一側(cè)持續(xù)爬行。團(tuán)隊(duì)通過在系統(tǒng)中植入單個(gè)或雙神經(jīng)組織簇，制造出不同類型的爬行裝置，并利用實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方式，系統(tǒng)分析了其機(jī)械行為特征。

這些生物混合爬行機(jī)器人不僅表現(xiàn)出自發(fā)的肌肉抽搐，還能通過外部光刺激精確啟動(dòng)或調(diào)控運(yùn)動(dòng)。部分裝置在光遺傳學(xué)激活后開始爬行，甚至在光照停止后仍能維持一段時(shí)間的自主移動(dòng)，顯示出一定的持續(xù)性和記憶性神經(jīng)活動(dòng)。引人注目的是，當(dāng)光刺激頻率升高時(shí)，某些裝置的爬行速度反而減慢，這表明神經(jīng)元的響應(yīng)并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是受到復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)的調(diào)控。這種現(xiàn)象可能與神經(jīng)元之間的同步性變化或興奮-抑制平衡的調(diào)整密切相關(guān)。

(責(zé)任編輯：zhangxiaohua)

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