近日，學(xué)術(shù)雜志Biophysical Journal(中科院二區(qū)Top類期刊)以亮點論文的形式發(fā)表了中國科學(xué)院沈陽自動化研究所微納米課題組在類生命機器人領(lǐng)域取得的新成果(Dynamic Model for Characterizing Contractile Behaviors and Mechanical Properties of a Cardiomyocyte, Biophysical Journal, Vol.114(1), pp.188-200, 2018. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.bpj.2017.11.002, http:///biophysj/home)。
Biophysical Journal每期選出具有重要原創(chuàng)性成果的學(xué)術(shù)論文，刊登于當(dāng)期網(wǎng)站首頁作為亮點成果進行推薦。這是繼Small，Lab on a Chip，Soft Matter，Biophysical Journal，IEEE Transactions on Nanobioscience等封面論文和IEEE Transactions on Biomedical Engineering等亮點論文之后，沈陽自動化所微納米課題組科研成果再次獲得期刊特別報道，表明了沈陽自動化所在機器人領(lǐng)域不斷取得新進步，創(chuàng)新能力及國內(nèi)外影響力穩(wěn)步提升。
類生命機器人是近十年來機器人領(lǐng)域新興的前沿研究方向，核心是將離體生命單元與傳統(tǒng)的機電結(jié)構(gòu)在分子、細胞和組織尺度上進行深度有機的物理和信息融合，形成一種新型的基于生命功能機制的機器人系統(tǒng)，從而使機器人能夠兼具生命系統(tǒng)的優(yōu)勢和傳統(tǒng)機電系統(tǒng)的優(yōu)點，如生物體的高能量轉(zhuǎn)換效率、本質(zhì)安全性，以及機電系統(tǒng)的高強度、高重復(fù)性等特點。
類生命機器人有望解決和克服目前制約機器人發(fā)展的技術(shù)瓶頸和挑戰(zhàn)，如能源轉(zhuǎn)化率低、缺乏本質(zhì)安全和柔順驅(qū)動控制、作業(yè)靈活性差等問題，因此吸引了上科學(xué)家的研究興趣，成為目前機器人研究的新熱點。近些年來，類生命機器人研究已經(jīng)取得了顯著的成果，但是仍聚焦于基于細胞和組織的生物驅(qū)動實現(xiàn)上，在控制上也主要是基于光和電的簡單速度和方向控制上。由于缺乏對基于細胞生物驅(qū)動的模型理論研究，使得類生命機器人面臨運動控制、動力學(xué)匹配等關(guān)鍵問題和技術(shù)挑戰(zhàn)。
沈陽自動化所微納米課題組針對上述問題提出了一種基于肌細胞亞細胞結(jié)構(gòu)的細胞機械動力學(xué)模型，描述肌細胞跳動的動力學(xué)行為。Biophysical Journal特別報道圖片為本研究示意圖：以彈簧、變阻尼和電動機等機電部件模擬心肌細胞的亞細胞結(jié)構(gòu)，從而獲得單個心肌細胞的機械動力學(xué)模型。在實驗驗證中，利用掃描離子電導(dǎo)顯微鏡獲取細胞跳動曲線，進而根據(jù)所測得的細胞動態(tài)曲線辨識出細胞理論機械動力學(xué)模型系統(tǒng)的參數(shù)，從而獲得單個活體細胞亞細胞結(jié)構(gòu)的多維物理機電特性(細胞亞結(jié)構(gòu)的粘性、彈性、質(zhì)量和動作電位)。
由于掃描離子電導(dǎo)顯微鏡具有對生物樣本無損檢測的特性，同時采用基于活體肌細胞亞細胞結(jié)構(gòu)的建模方法，可實現(xiàn)單細胞亞細胞結(jié)構(gòu)的多維多模態(tài)物理特性(粘性、彈性、質(zhì)量、動作電位)的原位無損同步獲取，為以肌細胞為驅(qū)動單元的類生命機器人的動力學(xué)匹配及控制技術(shù)方法研究奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
沈陽自動所微納米課題組專注于信息科學(xué)、微納米技術(shù)、生物技術(shù)與機電系統(tǒng)的融合，期望利用物理和生物原理融合的研究思想，實現(xiàn)機器人感知、驅(qū)動、智能和控制等性能的提升。圍繞上述思想，課題組先后在Nature Communications，Small，ACS Applied Materials & Interfaces，Lab on a Chip，Nanoscale，IEEE Trans系列匯刊等期刊發(fā)表系列論文，研究布局逐步系統(tǒng)化、體系化，為未來取得更好的成果奠定了工作基礎(chǔ)。
本研究得到了國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、機器人學(xué)國家重點實驗室的大力支持。
(原標(biāo)題：沈自所微納米組成果獲期刊Biophysical Journal亮點論文發(fā)表)
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