美國(guó)科學(xué)家開發(fā)出一種新型生物混合機(jī)器人，其能在光刺激下以不同速度實(shí)現(xiàn)定向爬行。這項(xiàng)研究旨在探索調(diào)節(jié)神經(jīng)元活動(dòng)如何影響肌肉的機(jī)械輸出，從而揭示出神經(jīng)信號(hào)與肌肉驅(qū)動(dòng)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。相關(guān)研究發(fā)表在最新一期《科學(xué)·機(jī)器人》上。

圖片:6556542154.png

生物混合機(jī)器人的肌肉驅(qū)動(dòng)示意圖。

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)科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)，此次構(gòu)建了一個(gè)集成骨骼肌與運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的系統(tǒng)，二者被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。該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。研究人員通過在系統(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。

研究發(fā)現(xiàn)，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)。

更引人注目的是，當(dāng)光刺激頻率升高時(shí)，某些裝置的爬行速度反而減慢，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。研究人員認(rèn)為，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)。

這些發(fā)現(xiàn)為理解神經(jīng)元信號(hào)如何轉(zhuǎn)化為多樣化的肌肉行為提供了新的視角。神經(jīng)元因其對(duì)環(huán)境刺激的高度適應(yīng)性和可塑性，成為控制復(fù)雜生物混合系統(tǒng)極具潛力的“生物控制器”。