基于光遗传技术的骨骼肌细胞微型游动机器人的驱动与控制研究

The development of the microswimmers improves the study and therapy of the disease of angiocarpy, gastrointestinal tract and eye, etc. However, microswimmers still have some limitations, such as the poor biocompatibility and degradability, the energy limitations, the invasive control methods, etc. This project aims at the development of a bio-hybrid microswimmer which could provide new solutions for energy supply and wireless control. This cell-based robot will be powered by skeletal muscle cells and will fuel by the surrounding biological fluid, and it will be controlled by the low-power light. This project will mainly focus on the study of the driving and control strategy of the robot. The skeletal muscle cells will be transfected by the optogenetics techniques and the cells will provide driving force controlled by light. Based on the stereolithography and hydrogel materials, a micro measuring platform will be manufactured and the force drived by cells could be precisely obtained. The flexible biomimetic microswimmer will be simulated and analyzed by the immersed boundary method, and the effect of elasticity modulus and the structure of the robot will be studied. After that, the robot will be manufactured by stereolithography and tough hydrogel materials, and the influence of the material characteristics and the structures of the robot to the propulsive efficiency will be studied by the CFD method and experimental study. This project will provide theoretical basis for the development of the genetic controlled cell-based microsimmers, and it will also provide new method for the targeted therapy and interventional diagnosis in practise.

微型游动机器人在研究与治疗心血管、肠胃、眼睛等疾病方面可望带来新的变革。目前，微型游动机器人研究在医疗领域依然存在着生物相容性与降解性差、能量供给限制、控制手段受限、侵入性强等局限。本项目致力于一种光控的生物动力微型游动机器人原理探索,寻找能量供给以及低功率无线控制的新方法。项目重点探索这一机器人的驱动和控制原理，利用光遗传技术、柔性仿生推进技术、光固化成型技术与双网络水凝胶材料，制备光控骨骼肌细胞和测力平台，实现光对骨骼肌细胞驱动力的精确控制，利用浸没边界法对柔性摆动推进结构进行仿真与设计，制备微型游动机器人并实验测量一系列弹性模量和尺寸参数下的推进、控制效率，据此进一步掌握运动规律、优化其结构，从而明晰此类机器人工作原理和实现途径。项目的完成可为基因调控的细胞驱动游动机器人的动力与控制提供理论依据，也有望为药物靶向治疗以及介入式诊断等领域的挑战性难题带来新的解决方案。

目前微型游动机器人存在生物相容性与降解性差、能量供给限制、控制手段受限、侵入性强等局限性，因此，本项目致力于一种光控的生物动力微型游动机器人原理探索。项目研究了高精度三维成型生物材料实现机器人基底材料的加工方案、力学性能与关键参数；研究了机器人基底材料的动态可控刚度实现；研究了机器人基底材料上的骨骼肌细胞培养与分化过程中的化学与物理变量所产生的影响；研究了刺激幅度、宽度对骨骼肌细胞收缩的影响；利用水凝胶材料的弹性模量、厚度、形状等参数研究了其对骨骼肌细胞生长、分化的影响。利用低雷诺数计算流体力学研究了驱动形态、结构、弹性模量等物理性质与参数对微型机器人运动性能推进的影响，实现了单鞭毛与双鞭毛游动机器人的核心参数分析与计算，计算了在骨骼肌细胞局部收缩驱动下对机器人运动的影响，对机器人的柔性摆动推进行为进行仿真分析，计算弹性模量、控制频率以及尺寸参数对推进效果的影响，对材料的弹性模量和结构参数进行仿真优化；并探索性的利用离散单元法构建了水凝胶力学模型计算平台。项目对高精度光固化成型实验平台进行了硬件改造以及结果分析，进一步提高了高精度光固化成型平台的打印效果与打印材料种类，提高了机器人水凝胶基底的力学性能与成型精度，并拓展了相关的多功能应用。依据数值计算结果设计游动机器人结构，使用改进后的光固化成型技术制作了一系列具备不同核心参数的游动结构，验证了机器人的柔性摆动推进性能以及蓝光对机器人游动的控制。最终，通过实验证明了光控微型游动机器人的可行性，并利用游动实验对关键参数进行了测试。本项目的研究成果提供了一种新型的生物混合微型机器人的加工、调控与运动方式，有望为具备高生物相容性的微型机器人提供新的思路与实现途径。