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《Science》子刊:可以实现有机和无机界面对化学信号自主分析的柔性传感机器人
2019-07-24 10:50:10 | 【 【打印】【关闭】

  下一代软体机器人 将通过集成合成生物学和软材料科学从而获得巨大的发展。合成生物学可以开发受生物启发的结构体系,使不同尺度的生物系统的功能集成成为可能。软体机器人发展的最新计划,使用软材料实现兼容、轻便、多功能的系统,从而仿生自然生物组织和有机体的强大机械性能和丰富的功能性。迄今为止,这些软体机器人的构建模块主要局限于由弹性体、流体、金属合金和其他无机物组成的材料结构,包括使用气动人工肌肉致动器、形状记忆合金、介电弹性体?#21462;?#22312;系统层面,柔软和有弹性的材料已经被?#32654;?#21046;造模仿自然生物的仿生机器人和仿生抓手。近日,科学家们将软质材料与天然细胞结合起来,创造出能对外界?#30899;?#20570;出反应的“生物混合”系统。例如,由聚二甲基硅氧烷(PDMS)基质或3D打印支架上培养的收缩细胞驱动的游泳和爬行生物混合机器人。通过对细胞内部的工作方式进行重新编程,以充分利用其固有的多功能性,研究人员还创造了微型机器,可以作为传感器、计算工具和计时设备。由此产生的小型化合成生物系统可以实现多功能化学信号检测。所以,这些特性使得合成生物系统(合?#19978;?#32990;)有望成为集成、灵活、受生物启发的结构中的子组件,应用于软体机器人或其他可穿戴设备。

  将细胞与软性机器人集成的一个主要挑战是缺少一个界面模块来同时实现外部环境与细胞之间的信号?#25442;弧?#32454;胞与内部电子学之间的通信以及机器人内部电子学与宿主力学之间的控制 。这种界面模块必须防止工程细胞逃逸,同时?#24066;?#22312;周围环境中化学或电信号的转化。此外,该模块必须能够将这些环境信号转换为蜂窝信号,最后转换为电信号。所有的信号转和模块设计都必须使机器人可以灵活运动,在小型设备也可以实现上述功能。

   

 

  为了解决上述的挑战, 卡内基?#20223;?#22823;学机械学院和生物医学工程学院的Philip R. LeDuc 和加州大学戴维斯分校生物医学工程学院的 Cheemeng Tan 团队 ,联合设计并集成了一个生物传感模块,该模块的特点是: 将基因工程大肠杆菌集成到包含嵌入式电子元件、能够以流体驱动的软体机器人触手中。 

   

 

  图示一?#33322;?#21270;学反应性合?#19978;?#32990;和柔性材料集成为可生物传感的软体机器人。

  该工作设计的模块包括用多孔膜密封的有图案的弹性体材料,以容纳转基因大肠杆菌菌株。大肠杆菌作为化学传感层,可以灵活地整合现有的合成遗传电路,也创建了一类新的软机器人传感器模式。大肠杆菌菌株对以荧光蛋白的?#38382;?#23384;在的化学诱导物- isopropyl β-D-1-thiogalactopryanoside (IPTG)具有广泛的响应。然后,由嵌入式电子元件激活并检测荧光蛋白-IPTG,然后将信息传递给中央处理器(CPU),启动机器人的决策和驱动。

  这种集成的方法?#24066;?#23454;现真正的机器人自主功能,在这种功能中,抓取任务是根据外部?#30899;?#25191;行的,这些?#30899;?#26159;通过嵌入的合?#19978;?#32990;检测到的。

   

 

  图示二:使用柔性生物传感触手的机器人分拣。(A)除了先前测试的元件外,柔性生物传感触手的元件还包括柔性印刷电路板和嵌入式光电晶体管。(B)?#31859;?#32622;的特点是有一个培养基槽,通过4个自由度的机械臂将触手浸入其中,以测试化学诱?#25216;?#30340;传感模式。(C)与对照组相比,IPTG+镀液中细胞的光电晶体管输出随时间的变化显著,使系统能够根据细胞的遗传反应作出决定。(D)软体机器人根据光电晶体管信号对物体进行分类,将物体分类为IPTG后,用三指生物传感触手将物体展开放入浴中。

  该文章的第一作者是 Kyle B. Justus ,通讯作者分别是 PhilipR. LeDuc教授 Cheemeng Tan教授 

  文章来源:高分子科学前沿、网易号

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