基于肌细胞驱动的微型机器人研究

Bio-actuation based micro-robot using muscular cells is an important branch of robotics and has been attracting more and more attentions. It is expected that such kind of micro-robots will provide a new tool and method for medical treatment and surgery. However, there is a lack of quantitative analyses and theoretical studies on bio-actuation based micro-robots, which hinders the research and development of bio-actuation based micro-robots. In this project, a swimming micro-robot based on bio-actuation using muscle cells will be developed and its kinematics will be analyzed, from which the force to drive the swimming robot can be computed and its motion can be predicted; the dynamic mechanical models of single cardiomyocyte and cardiomyocyte cluster will be established, and nonlinear group effect of cardiomyo cytecluster will be studied; the hybrid control method for the micro-robot assisted by chemicals and electromagnetic field will be developed and relative control theories will be studied. This research is of great significance to research and development of robotics.

基于肌细胞驱动的微型机器人是目前国际机器人研究的新热点，有望为实现体内介入诊疗与手术提供新的工具和方法，具有巨大的潜在应用价值。然而目前肌细胞驱动微型机器人研究中缺乏定量动力学分析和控制理论研究，严重制约了细胞生物驱动微型机器人研究发展。本项目针对这个研究现状，开展基于微尺度效应的微型机器人本体结构的动力学分析和研究，为机器人本体结构的优化设计和性能预测提供理论基础；开展肌细胞驱动微型机器人动力源能量密度研究，建立肌细胞机械动力学模型，分析细胞簇群体效应，从而阐明细胞簇细胞密度与收缩力的定量关系；开展肌细胞驱动微型机器人的控制研究，研究基于药物和外界电磁场辅助的混合控制理论和方法，实现生物驱动微型机器人的辅助操作。本研究的开展对提高我国机器人研究水平，丰富机器人学的研究内容，完善机器人学科，提高相关疾病的诊断和治疗都具有重要的科学意义和价值。

基于肌细胞驱动的类生命微型机器人是目前国际机器人研究的新热点，有望为实现体内介入诊疗与手术提供新的工具和方法，具有巨大的潜在应用价值。然而目前肌细胞驱动微型机器人研究中缺乏定量动力学分析和控制理论研究，严重制约了细胞生物驱动微型机器人研究发展。本项目针对这个研究现状，首先开展了细胞驱动微型机器人本体结构的机械动力学分析研究，实现了微型机器人微结构在低雷诺系数液体条件下的优化设计；其次开展了从亚细胞结构到单个肌细胞，再到群体肌细胞簇的机械动力学的建模分析研究，建立了细胞簇群体收缩力与细胞密度之间的偶联关系，实现了细胞驱动微型机器人的动力能源匹配优化；同时开展基于药物以及电场刺激的肌细胞驱动单元控制方法，并构建了以活体细胞为驱动单元的类生命机器人，实现了基于电场方向的机器人运动控制。本研究的开展对提高我国机器人研究水平，丰富机器人学的研究内容，完善机器人学科，具有重要的科学意义，同时在疾病的诊断和治疗都具有重要的应用前景和价值。