对于许多希望将其力学和独特特性应用于工程机器人的研究人员来说，生命系统已经成为他们的灵感来源。超越生物灵感的生物混合促动器，具有通过活细胞或组织与人工结构相接的界面实现顺应性和自我修复的能力，引起了人们的广泛兴趣，成为解决软机器人挑战的方法，尤其是在小型机器人促动方面取得了成功。然而，超过厘米规模的宏观生物混合制动器目前面临许多实际障碍。从这个角度，研究人员讨论了扩大生物混合执行器的挑战以及实现大规模生物混合软机器人的途径。

 相关论文以题为“     Biohybrid Actuators for Soft Robotics: Challenges in Scaling Up    ”于北京时间2020年09月30号发表在《     Actuators    》上。

 软启动可能是驱动软体机器人与其他物体安全交互的最简单但最关键的功能。 为了捕捉在动物中观察到的软致动能力，在软机器人社区多数研究采用用于仿生和生物医学应用。使用多种材料和技术开发了软执行器，包括气动，形状记忆合金和形状记忆聚合物，介电弹性体。虽然软启动器技术的全面审查超出这个角度范围内，都可以在这个问题上最近的评论。使用这些方法，在软致动领域已经取得了很大的进步。但是，合成软制动器无法在单个平台上捕获活肌肉的所有功能。每种软驱动模式都有其优势，每个都有类似的缺点。例如，由于气动装置中的压力，需要外围组件或几何形状限制；形状记忆材料需要高温，高电压或高电流；热敏材料的驱动周期很慢。相比之下，活肌虽然在任何特定的执行器指标上都不例外，但可以在所有指标上提供有效的功能。  为了利用这些能力，如自我修复，从环境，合规能量提取和微分力生产，biohybrid机器人领域旨在利用直接活肌肉如在机器人系统。

 通过合并软机器人技术和组织工程技术，已经解决了不同长度范围的制动技术难题。 小型生物混合机器人技术的最新成果已在概念上证明了作为替代性软驱动新兴类的生物混合动力制动器的发展。这类小型机器人（如细菌一样小至单细胞规模）已被证明能够操纵微粒或结构，用于靶向药物输送。此外，从毫米到厘米的生物混合机器人已经被证明能够爬行，滚动，游泳甚至简单的物体操纵。这些小型机器人技术的概念证明为生物杂交机器人技术领域带来了希望。然而，尽管活组织提供了一种可再生的，环境友好的致动解决方案，但是由于制造，血管形成，组织维持和组织机械性能方面的许多挑战，研究人员尚未广泛探索厘米级以外的大型生物混合制动器。

 即使存在许多致动方法来驱动厘米级的机器人结构，但这些方法（包括气动，热和介电弹性体制动器（DEA）技术）在功耗，响应时间和输出力方面均面临各自的技术缺陷 。 尽管如此，扩大生物混合执行器以构建宏观生物混合软机器人的努力可以通过提供可再生，环保，适应性强，自修复且合规的驱动方法来改变软机器人技术（图1）。扩大生物混合制动器将使该技术能够扩展到大规模机器人应用，并为软机器人提供新的设计和控制方法。尽管大多数执行器都依赖于外部电源，但生物混合执行器可能会从其环境中提取能量，从而允许设计无需系链的设备而无需笨重的电池组。biohybrid制动器的能力，以适应机械载荷和自愈将允许机器人装置，以适应其环境和损害。通过募集额外的肌肉纤维来调节制动器力的能力将允许控制方法在紧凑的包装中调节各个制动器的力。通过利用这些功能，大型生物混合机器人将能够与各种生物进行安全交互，适应机械负载和环境条件，并有可能直接从环境中提取能量。通过解决此处强调的挑战，生物混合执行器将成为软机器人工具包中的另一种工具。应对当前在血管形成，界面和激活方面的挑战，将提高跨领域机器人技术人员对生物杂交技术的可及性。

 图1. （A）图解说明了与生态系统中的活生物体安全互动的生物混合型软机器人（左）和生物混合型软机器人的优势列表（右）。（B）将生物混合型软机器人的尺寸从亚微米级增加到厘米级（上），并增加相应的启发性现实生物（下）。

尽管大多数生物杂交机器人的研究都集中在较小的长度尺度上，但是基于微生物杂交执行器的软机器人已经在从微生物到微型机器人和微型机器人的不同长度尺度上进行了开发（图1 B）。  关键的挑战，目前妨碍缩放biohybrid制动器超出这些尺寸范围包括：（1）血管形成，（2）生物/非生物的界面相互作用，和（3）的神经支配和控制方法。 本文的目的是突出这些挑战，并讨论可能使生物混合制动器扩大规模的最新科学技术努力。通过应对这些挑战，生物混合机器人技术研究人员将朝着创建用于软机器人设备的大规模生物混合执行器迈出重要一步，以最终使天然肌肉的性能达到目标。

 扩大生物混合制动器的挑战

在本文中，研究人员将讨论为未来的机器人应用扩展生物混合执行器的三个主要挑战。尽管这些并不是生物杂交机器人技术面临的唯一挑战，但研究人员认为解决这些关键领域将大大推动生物杂交驱动。并讨论了生物混合制动器的最新技术，扩大生物混合制动器的当前限制以及组织工程，先进制造，材料工程和生物学对这些挑战的可能解决方案。

 血管化

 血管化对于保持组织存活至关重要。 在天然组织中，组织内血管的三维（3D）网络对于向成分细胞提供营养和氧气是必不可少的（图2A）。由于活的肌肉细胞是生物混合制动器的功能元件，因此在工程组织中发展这样的血管网络至关重要，在该组织中氧气，营养物质和废物可以循环并交换。然而，在较大规模的组织中实现体外脉管系统功能的主要限制是缺乏指导血管构图和自组装所需的多尺度3D制造方法。没有这种结构组织，可达到的组织尺寸就受到限制。来自常规组织工程的许多方法可以通过引导组织的组织和几何形状而适于大规模地使生物混合制动器血管化。

 图2. （A）有效充氧和养分供应以及代谢废物清除的血管网络示意图。（B）基于血管网络的工程化制造方法：（B，i）生物印刷（B，ii）通过激光烧蚀的减性图案和（B，iii）使用预定的可溶材料的牺牲图案。

 研究人员开发制造技术，以便在大规模组织中对大型血管化网络进行可扩展工程设计，这将为具有活细胞的大型软机器人设备提供动力。 这样的技术包括生物印刷，减色图案化和图案化牺牲，这主要依赖于细胞和支架图案化技术。在使用生物打印机进行多种生物墨水的生物打印，挤压或液滴沉积过程中，可以对生物材料进行构图，以形成所需的活组织结构（图2 B）。结合生物打印或作为单独的过程，可以使用激光消融法以消减方式对预先形成的载有细胞的凝胶进行图案化，以指导内皮细胞的生长以生成功能性血管化血管（图2 B（ii）。除了基于增材的生物印刷和基于激光的减性构图之外，还可以使用牺牲性构图（其中生物相容的水溶性材料与充满细胞的生物墨水一起挤压成丝状晶格结构），以创建内部的空隙网络牺牲材料溶解后可在内皮细胞中填充的物质（图2 B（iii））。  通过允许营养物和氧气渗透到组织内部，这种构图途径提供了在三个维度上按比例放大生物杂交结构的途径。

 此处介绍的每类技术在创建血管化大型生物混合执行器方面都有优缺点。 在生物印刷生物材料的挤出允许宽范围的细胞外基质的生物油墨将要沉积在三维有或无细胞的。但是，这些挤出过程需要精确控制油墨粘度，这是费时的，并且可能在嵌入式细胞上产生剪切力和压力，这可能会触发生物过程或分化变化。可替代地，减损布使得能够相对高分辨率的信道的图案，但被限制于创建2D脉管。最后，牺牲图案可以在相对更快的时间内在2D和3D中创建脉管系统，但是结构的分辨率将取决于需要毛细作用力的材料的溶解性。此外，作为替代，可以制造生物混合制动器以最小化直接血管图案的需要。例如，通过堆叠播有细胞的薄膜，可以组装3D层状结构以构建大块肌肉。该技术将薄膜制造的简便性与3D肌肉培养技术相结合，以创建具有增加的收缩力的生物混合制动器。然而，用这种方法生产的薄纸仍然存在固有的尺寸限制。

 在3维形状的动脉壁和静脉壁之间具有毛细管通道将是理想的脉管结构。 将来，所需分辨率和3D图案的组合表明应该开发制造方法以结合文献中当前报道的方法。例如，能够进行加性和减性构图的系统可用于从精细毛细管到较大血管通道的多尺度结构的逐层构图。如果制造方法的分辨率限制无法扩展至足够细的毛细血管，则可以对血管前体细胞进行图案化，以促进其在成熟过程中的血管形成。这些方法将需要在制造时间与电池所承受的负载之间取得平衡。

    界面相互作用  

 生命有机体已经进化并适应其环境。作为这种适应的结果，它们的结构已经发展成可以承受特定的力和载荷，并且在肌肉组织与生物体结构的接口方式中可以清楚地观察到这些适应。 有机体的肌肉和骨骼系统（或其缺乏）在不同的规模和行为速度上发生巨大变化（图3 A）。例如，小规模，相对缓慢运动的生物（如海参和earth）的身体结构由肌肉静液压骨架组成，该静液压骨架仅由柔软的肌肉组成，没有骨骼支撑。相反，人类或大型动物受到从肌肉传递到肌腱，从肌腱传递到骨骼的力的驱动，因此它们的层次结构化的肌肉和骨骼结构被接合，以通过肌肉组织产生宏观的收缩力。因此，多尺度方案中的物理，化学和生物相互作用与具有不同模量的组件的结合形成了身体的框架，从而可以对大型生物体的力量和运动进行可扩展的控制。

 图3. （A）大小如何影响活生物体中界面相互作用的示意图。（B）用于减轻由于机械失配引起的物理应力集中的合成多尺度结构。（B，i）桥接功能纳米复合材料的方法，用于构建坚固的无机宏观装置。（B，ii）材料的应力梯度，以成功地集成到硬界面到软界面中。（C）在组织细胞内部采取化学和生物学作用的多尺度相互作用。

 尽管在构建小型生物混合机器人时，肌肉与结构之间的多尺度交互作用并不那么关键，但在扩大生物混合制动器的尺寸时，界面交互作用和层次结构对于防止因应力集中而导致的组织衰竭至关重要。 分层制造方法来产生纳米复合材料和在不同模量的微图案的图案化特征先前已经用于制造复杂的电子设备（图3 B），这样的技术可以转化为生物混合制动器的制造或用于启发新颖的制造方法。分层界面将使生物组织和具有许多机械失配的无机异质结构整合所需的生物力学结构得以发展。

在天然肌肉组织中，来自运动神经元网络的大面积肌肉细胞的神经支配提供了可扩展的控制方案，用于产生力。在宏观生物混合制动器中，差异激活和控制工程组织的能力至关重要（图4 A）。本节介绍了迄今为止提出的许多用于刺激生物混合机器人中肌肉细胞的控制方法及其局限性。

 图4. （A）肌肉神经支配示意图。（B）厘米级生物混合软机器人的各种控制方法（B，i）电刺激，（B，ii）光学刺激和（B，iii）神经肌肉共培养。

    结论  

 生物混合制动器具有许多用于软致动的理想特性。 但是，要将这种技术从概念验证的小型机器人转变为大型机器人技术，必须解决此处提出的关键挑战。为了应对这些挑战，需要采用多学科方法，将制造，材料科学，生物学，组织工程和机器人技术领域的合作者召集在一起。未来对大规模生物混合制动器的努力将需要首先集中在可扩展的制造方法上。集成的多材料制造方法必须能够图案化肌肉细胞，引导血管网络的发展，构建分层的界面结构并指导控制电路的组织。制作方法应整合微制作技术，以采用宏观生物图案化方法来捕获天然肌肉细胞外基质的小规模结构，以挤出细胞生物墨水，复合增强材料以及血管通道的加/减图案。这种制造方法需要广泛地为大型机器人技术团体所采用。在开发制造方法的同时，需要对控制方法进行直接比较，以建立每种方法对各种生物混合制动器细胞来源的最大致动频率，致动力，寿命和疲劳速率的影响，以开发工程数据库对于这些系统。此外，改善执行器性能的控制方法应集成到上述多尺度制造流水线中，以确保对宏观生物混合执行器进行分布式激励。通过与材料科学家和神经生物学家的合作，可以进一步完善控制方法，以识别出最小化细胞疲劳，同时最大化驱动力可控性的技术。最终，这些方法将需要包装在无系链系统中，以允许设备自主或独立运行。通过与材料科学家和神经生物学家的合作，可以进一步完善控制方法，以识别出最小化细胞疲劳，同时最大化驱动力可控性的技术。  最终，这些方法将需要包装在无系链系统中，以允许设备自主或独立运行。通过与材料科学家和神经生物学家的合作，可以进一步完善控制方法，以识别出最小化细胞疲劳，同时最大化驱动力可控性的技术。最终，这些方法将需要包装在无系链系统中，以允许设备自主或独立运行。

 生物混合驱动器为软机器人社区提供了另一种材料选择，它具有自愈性、合理的效率、适应性和可再生性。这些执行器在医学，农业，环境监测或需要生物可降解设备的任何地方都有广阔的应用前景。 当然，生物混合制动器需要长期维护，可能在有限的环境条件下运行，并且可能会导致比传统制动器更多的随机性能。但是，动物清楚地证明了这些促动器能够实现有意义的行为。通过开发此处概述的制造和控制方法，研究人员将朝着捕获机器人系统的这些功能以及作为测试组织工程和神经肌肉控制理论的平台前进。  最后，必须使用软机器人通用的指标来报告未来生物混合执行器的特性，力学和性能。这将有助于确保生物混合制动器可以过渡到被视为工程材料。