基于生命-机电融合的类生命驱动和感知方法研究

Acute sensing and safe actuation are the core problems involved in the man-machine interaction in the study of robotics, and the biological evolution of millions of years provides the ideas to solve these problems. Unlike the imitation of biological functions and mechanisms in the biomimetics and bionics, this project proposes a study on the deep integration of life system and electromechanical system at the scale of cells and tissues and the goal of the study is to integrate the super-sensitivity of biological perception and intrinsic safety of bio-actuation into robotic systems and to provide technical and theoretical foundations for "human-machine-environment integration". By adopting multidisciplinary technologies, such as robotic technologies, micro-electromechanical system technology and modern biological engineering technogy, this project carries out the study on enabling technology for the biosyncretic robotics with life materials as the core parts, realizes the bio-actuated micro-robot based on muscle cells and its motion control, develop bio-syncretic sensing theory and technologies based on biological-electromechanical fusion to achieve bio-based visible light and infrared perception, and establish the basic theory and realization methods of deep fusion of life systems and electromechanical system, which provide the technical foundation for disruptive innovation of robotics.

敏锐感知和安全驱动是人机共融涉及的核心问题，生物界亿万年的进化为解决上述问题提供了可以借鉴的思路。不同于仿生学上机电系统对生物机理和功能的模拟，本项目提出生命系统和机电系统在细胞和组织上深度融合的研究，将生物界感知的超灵敏特性、驱动的本质安全特性等融入机器人系统，为人-机-环境多层次的融合奠定基础。项目综合采用机器人技术、微机电技术、现代生物工程技术等交叉学科技术和理论，开展以生命介质为核心部件的机器人使能技术研究，实现基于肌细胞生物驱动的微型机器人及运动控制，建立基于响尾蛇光敏感蛋白的新型生物感知和成像系统，初步形成生命系统和机电系统融合的基础理论和实现方法，为机器人的颠覆式发展提供技术储备。

安全驱动和敏锐感知是人机共融涉及的核心问题，生物界亿万年的进化为解决上述问题提供了可以借鉴的思路。本项目面向基于生命系统和机电系统在细胞和组织上深度融合的类生命机器人这一新兴机器人研究方向，开展了基于肌细胞驱动的类生命微型驱动机器人设计、实现及运动控制、基于光敏感功能化细胞光敏响应的类生命视觉感知以及类生命机器人生物制造和信息检测相关使能技术研究。在基于肌细胞功能的类生命驱动理论与技术方面，揭示了外部激励下类生命驱动单元的动力学响应规律，建立了多种肌细胞动力学模型和生物-机电混合驱动的力学模型，实现了类生命驱动细胞单元的多维机械特性同步检测，提出了肌细胞驱动器的设计和优化方法，研制了多种以活体细胞组织为驱动单元的类生命驱动器，实现了基于电场参数的类生命驱动器的速度控制。在基于功能化细胞的类生命感知理论与技术方面，实现了基于光遗传学的可见光敏感功能化以及基于上转换技术的红外光敏感功能化，建立了生物功能化细胞与机电系统的融合接口，实现了基于功能化细胞的可见光和红外类生命视觉感知成像，并研究了哺乳动物光敏感细胞感光及成像机理，建立了哺乳动物红外增强技术和方法，实现了哺乳动物的红外感知能力。在面向生物机电系统融合的使能技术方面，提出了基于数字微镜阵列的生物模块制造系统，并构建了光诱导模块化生物制造与组装系统平台，实现了模块化多细胞生物结构组件的图形化调控和可编程批量化制造及在线组装，构建了类生命机器人的制造和组装方法体系。通过本项目的实施，初步形成生命系统和机电系统融合的基础理论和实现方法，为机器人的颠覆式发展提供技术储备。