嵌入水母中的微电子技术可增强推进力许俾文

嵌入水母中的微电子技术可增强推进力

方面的现有挑战。在《科学进展》的新报告中斯坦福大学生物工程学，土木与环境工程学和机械工程学系的Nicole W. Xu和John O.Dabiri提出了一种生物混合机器人，该机器人利用微电子技术诱使活水母游泳。他们测量了通过以比自然行为更快的最佳频率范围驱动身体收缩来显着增强推进力的能力

这种动作使游泳速度提高了近三倍，尽管动物的代谢消耗仅增加了两倍，而输入微电子设备的外部功率只有10毫瓦。这种生物混合型机器人每质量所消耗的外部功率比以前报道的水生机器人少10至1000倍。与原始性能相比，该功能可以改善生物混合机器人的性能范围，

水母由于具有较低的运输成本而成为形成节能型水下航行器的引人注目的模型生物。现有的完全由工程材料制成的游泳动物仿生机器人可以实现与天然动物相当的速度，但是效率要比水母低几个数量级。因此，生物混合水母机器人可以整合活体动物来应对软机器人技术的现有挑战。

研究人员可以利用水母结构进行驱动，并通过探索自然的进食行为来解决动力需求，在这种行为中，他们可以从猎物中提取化学能。该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过来，控制动物的运动并允许在用户控制的实验中进一步研究活生物体的生物力学。

在这项研究中，Xu和Dabiri使用微电子系统从外部控制活水母，并形成了生物混合机器人，以推动水上运动的科学与工程。

为了激活水母作为天然支架，该团队利用了动物自身的基础代谢来减少额外的能量需求，并利用其肌肉进行致动，同时依靠自我修复和组织再生特性来提高损伤耐受性。该小组假设，增加水母的钟形收缩频率可以将游泳速度提高到极限。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并测试其工作假设，从而从外部控制自由游动动物的脉冲频率。以前，此类检查只能通过计算或理论模型进行。

嵌入式非活动游泳控制器与外部控制游泳在0.50 Hz和0.88 Hz时钟形的比较。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaz3194

徐等。选择了极光木作为模型生物；一种扁圆形的水母，包含一个灵活的中脑钟和伞下表面内衬的冠状和radial肌单层。

为了游泳，生物体收缩肌肉以减少伞下腔的容积并喷射水以提供动力以及被动能量回收和基于吸力的推进的额外贡献。为了启动这些肌肉收缩，水母激活了位于感知器官中的任何轻型起搏器，称为“ 横纹肌肉瘤”沿着钟形边缘。这些神经簇激活了整个运动神经网，从而引起了双向的肌肉波传播，这是由于自然起搏过程中被激活的起搏器引起的。

活水母中的机器人设计集成和设备验证

科学家首先设计了一种便携式，独立的微电子游泳控制器，以产生方波并刺激0.25 Hz至1.00 Hz的肌肉收缩。他们用一个 TinyLily微型处理器和10 mAh锂聚合物电池。为了在视觉上确认电信号，Xu等人。将电线串联连接到TinyLily发光二极管。然后，他们将电极从两侧插入伞下组织，并用不锈钢垫圈和软木塞使系统自然漂浮。为了验证游泳控制器可以从外部控制水母铃铛的收缩，科学家们开发了一种追踪铃铛边缘运动的方法。为此，他们完成了三组实验，在没有任何干扰的情况下观察有机体的内源性收缩，观察机械嵌入的非活性电极是否影响自然动物行为，测试刺激方案确认外部收缩。

使用视觉标签和频谱来跟踪肌肉收缩的信号验证。

将金黄色葡萄球菌置于伞下表面，放在没有海水的板上，以进行受限的肌肉刺激实验。图像被反转，以使钟形和盘子是白色的，黑色区域是来自动物组织和盘子的光的反射。为了清楚起见，钟形的边缘用红色虚线圆圈勾勒出，口腔的臂部用蓝色着色。在边缘周围注入可见的植入物弹性体标签，每个视频跟踪一个标签，以计算组织位移作为肌肉收缩的替代物。在红色标记的四个位置进行空间测试以确定电极位置是否影响光谱：

与胃袋相邻;

在胃袋与边缘之间的中间位置;

在横纹肌中;以及

在距rhopalia的边缘。所有其他测试都在位置2进行。

对于没有任何外部刺激的动物，其标签位移随时间变化的示例。红线表示质心位移，误差是通过假设在25 s内发现每个图像中标签的质心时存在半像素不确定性而得出的。注意肌肉收缩的时间变化，包括规则脉冲和连续快速脉冲的周期。

对于具有0.25Hz外部刺激的动物的示例性标签位移，每个刺激可视化为垂直黑线。尽管收缩经常遵循外部刺激，但自然动物的脉搏也以低频发生。请注意，例如，在一个刺激后的双脉冲。

对于具有1.00Hz的外部刺激的动物的示例性标签位移，每个刺激可视化为垂直黑线。显示了相同的时间窗口，以便与前两个图进行合理比较。宫缩定期遵循外部刺激。

没有任何外部刺激的水母的单侧振幅谱平均值。红线表示每个复制品的标准化SSAS平均值，SD为粉红色。平均SSAS的峰值为0.16 Hz。半高全宽为0.24 Hz。

水母对嵌入的无活性电极的反应。平均SSAS的峰值为0.18 Hz。FWHM为0.16 Hz。使用两组样本的两组峰值频率的t检验，两组样本之间的差异在统计学上不显着。

在1.00 Hz的电刺激下采样SSAS。峰值频率出现在1.02 Hz，在用于计算SSAS的0.02窗口内。请注意，在没有任何外部刺激的情况下，与和中的FWHM较宽相比，该频谱在感兴趣的频率处具有更尖的峰值。

肌肉收缩对外部电刺激的频率响应的轮廓图。数据的每条垂直线代表一个电输入频率下的PSD，上面测试的水母数量。

颜色与PSD的幅度相对应，其中较高的值显示为黄色，而较低的值显示为蓝色。红色实线代表一对一的输入-输出响应，红色虚线代表根据金黄色曲霉肌肉的最小绝对不应期而报告的生理极限。通过PSD中的峰值频率是否位于红色实线的0.06 Hz窗口内来定义响应性试验。

无反应试验的轮廓图。还使用类似的无响应PSD测试了高达90.00 Hz的更高频率。

的照片来源：斯坦福大学的Nicole W. Xu。信用：

他们发现，自然动物行为是不规则的，具有很高的脉搏率变异性-包括0.16 Hz的平均峰值频率。惰性电极不会显着改变频谱，而外部驱动的收缩表现出水母肌肉收缩在1.4 Hz至1.5 Hz之间的生理极限。该团队使用植入式系统在盐水罐中进行了游泳试验，并对测量的游泳速度进行了归一化，以说明动物体型的变化。

他们在没有刺激的情况下，通过归一化速度的平均值来缩放归一化游泳速度，以确定增强因子。最大增强因子高达动物自然游泳速度的2.8倍，即，使用板载微电子设备提高了游泳速度的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电源和来自动物自身新陈代谢的内部电源。当以更高的频率驱动时，生物混合机器人水母的微电子系统每公斤消耗的瓦数更高。但是，与现有的机器人相比，这种生物混合型机器人消耗的外部功率最多减少了1000倍。徐等。将该原型与由植入硅胶支架上的大鼠心肌细胞制成的类瘤和机器人射线，纯机械机器人以及自动水下。除了生物混合机器人每单位质量的外部功耗低带来的成本效益外，微电子系统的市售组件成本仅不到20美元。电定位也是非特异性的，实验后动物立即恢复。

代谢率实验。为了确定水母的代谢速率，先测量动物组织和周围水中的氧气浓度，然后将其转换为能量消耗。

用于测量大量溶解氧浓度的实验装置。将动物置于伞下表面朝上，放在装有2升人造海水的密封玻璃皿中，该玻璃皿带有两个用于频率驱动箱的电极。使用MicroOptode氧气探头测量水中的氧气含量。

测量凝胶内氧浓度的实验装置。将动物置于伞下表面朝上，放在装有2升人造海水的密封玻璃皿中，该玻璃皿带有两个用于频率驱动箱的电极。使用嵌入组织中的MicroOptode氧气探针测量凝胶内的氧气水平。

氧浓度随时间变化的代表性图，由MicroOptode测量。本示例显示了在游泳控制器驱动的1.00 Hz频率下对动物周围水中大量氧气含量的测量。单个数据点显示为黑色，最佳拟合线显示为深蓝色，SD显示为浅蓝色阴影区域。

在6到8个小时内计算动物组织内周围水，淡蓝色和总量的耗氧率。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaz3194 从MicroOptode测量。本示例显示了在游泳控制器驱动的1.00 Hz频率下对动物周围水中大量氧气含量的测量。单个数据点显示为黑色，最佳拟合线显示为深蓝色，SD显示为浅蓝色阴影区域。

在6到8个小时内计算动物组织内周围水，淡蓝色和总量的耗氧率。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaz3194 从MicroOptode测量。本示例显示了在游泳控制器驱动的1.00 Hz频率下对动物周围水中大量氧气含量的测量。单个数据点显示为黑色，最佳拟合线显示为深蓝色，SD显示为浅蓝色阴影区域。

在6到8个小时内计算动物组织内周围水，淡蓝色和总量的耗氧率。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaz3194 SD会显示在浅蓝色阴影区域。

在6到8个小时内计算动物组织内周围水，淡蓝色和总量的耗氧率。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaz3194 SD会显示在浅蓝色阴影区域。

在6到8个小时内计算动物组织内周围水，淡蓝色和总量的耗氧率。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaz3194外部控制的新功能使Xu等人成为可能。

解决游泳频率和代谢率之间的关系。耗氧率遵循与提高游泳速度相似的模式，科学家们使用实验性代谢率和实验性游泳速度来计算等效的运输成本。COT在中频处增加，而在高外部刺激频率处减少。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必要的损失。

该研究的主要机器人极限是相对于动物对微电子的功率需求，微电子系统的功率需求。微电子学的进一步改进可以降低能源成本，并且扩展的研究还可以在不损害生物体的情况下努力最大程度地减少内源性动物收缩，从而提高基于活体动物的生物混合机器人的可控性。通过结合微电子传感器来利用现有的标记技术，对水母的人工控制可以扩大海洋监测技术的可控性。

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