【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于生物融合机器人，涉及一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人及其工作方法。
技术介绍
1、自然界生物经历了数亿年漫长的进化演变，面对严酷的生存竞争，生物的结构、形态、运动模式和控制策略等性能出众，从个体层面到分子层面，生物系统都有精巧结构，具备运动和/或驱动能力，一直以来是机器人系统的模仿学习对象。生物融合机器人是将生命系统与机械系统有机整合的新型软机器人，兼具了生命系统能量密度高、能源低廉、本质安全性的独特优势和机械系统高精准性和可控性等优良特点。
2、然而，现有生物融合机器人大部分都是单模态机器人，其运动方式单一，运动灵活性有限，难以适应复杂、非结构化的工作环境，极大地限制了生物融合机器人的应用场景。现有的研究使用多模块肌肉组织设计和驱动实现了在单一模态下机器人自由度的提升，如爬行机器人在直行的基础上可以实现转弯运动，但多模块的组织设计增加了机器人的体积和复杂性，其运动灵活和适应的环境依旧十分有限。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人及其工作方法，其结构简单，操控方式简易，在外部电场的驱动控制下能够完成多种运动动作，在液体中具有良好的操控效果。
2、本专利技术是通过以下技术方案来实现：
3、一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人，包括，类生命体部分，
4、所述类生命体部分包括pdms底层、fn条纹中间层和心肌细胞层；
5、所述pdms底层上设置有微沟槽，所述
6、优选的，所述还包括驱动控制部分，所述驱动控制部分包括刺激器，溶液环境和电极；
7、通过刺激器的输出端给出电刺激信号，电刺激信号经过成对的电极在溶液环境中形成电场，通过该电场给心肌细胞层提供电信号，从而控制心肌细胞层的心肌细胞的收缩行为，进而控制生物融合机器人的运动。
8、优选的，所述溶液环境为台式液或培养液，所述电极的材料采用石墨、金、铂和银中的任意一种。
9、优选的，所述生物融合机器人的驱动电压为4-6v，驱动频率为0.5-2hz。
10、优选的，所述胸节与尾节的微沟槽方向与机器人的轴向对称轴平行；所述腹节的微沟槽方向与机器人的轴向对称轴呈45度夹角。
11、优选的，所述pdms底层的材料采用聚二甲基硅氧烷，所述fn条纹中间层的材料采用纤连蛋白，
12、优选的，所述心肌细胞层的材料采用原代乳鼠心肌细胞。
13、优选的，所述微沟槽的宽度以及相邻微沟槽之间的间距均为20μm。
14、优选的，所述的生物融合机器人的运动模态包括游动模态、直立摆动模态、匍匐爬行模态以及侧爬行模态；
15、所述游动模态为腹节和尾节的快速收缩拨动水流，赋予机器人自身向前的加速度，舒张状态回复时受水阻力，速度减慢但仍向前运动，从而产生净位移，呈现游动模态；
16、所述直立摆动模态为当pdms底层接触爬行平面时，心肌细胞层的心肌组织的收缩使机器人的类生命体部分曲率增大，机器人向前运动；当心肌细胞层接触爬行平面时，心肌细胞层的心肌组织收缩导致机器人的类生命体部分短暂离开爬行平面，并获得前进速度，呈现直立摆动模态；
17、所述匍匐爬行模态为胸节与尾节两端与爬行平面接触，都受到线摩擦力，当心肌细胞层的心肌组织收缩时，机器人的类生命体部分曲率变大，胸节与尾节两端向中心移动，且尾节与腹节曲率变化更大，机器人类生命体部分的重心向腹节与尾节移动，呈现匍匐爬行模态；
18、所述侧爬行模态为机器人的曲率使侧轮廓与爬行平面间的接触形成类三角形态，协助稳定侧立姿态，腹节强大的收缩使其克服摩擦力，产生净位移，胸节和尾节在随后的心肌组织舒张期短暂上抬，摩擦力减小，随着机器人的类生命体部分曲率回复而移动，呈现侧爬行模态。
19、一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人的工作方法，包括，
20、当心肌细胞层的心肌组织中的肌原纤维，随着心肌细胞成熟，肌原纤维收缩力增强，心肌组织产生被动应力，该应力拉动所述pdms底层和fn条纹中间层，向心肌细胞层一侧弯曲，机器人产生弯曲曲率；
21、当心肌细胞层的心肌组织自发搏动或受控激活，心肌组织收缩，对pdms底层和fn条纹中间层的拉应力增大，两者产生进一步弹性形变，使得机器人的弯曲曲率进一步增大；
22、当心肌细胞层中心肌组织收缩后自然舒张，对pdms底层和fn条纹中间层的拉应力减小，机器人的弯曲曲率恢复。
23、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
24、本专利技术提供一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人及其工作方法，包括类生命体部分按照材料划分，可分为pdms底层，fn条纹中间层和心肌细胞层；按运动功能划分，所述类生命体部分分为头节，腹节和尾节。pdms底层有微沟槽作为细胞定向地形线索，心肌细胞沿定向线索生长，从而产生各向异性的驱动力。本专利技术pdms底层有微沟槽作为细胞定向地形线索，心肌细胞沿定向线索生长，从而产生各向异性的驱动力，有助于多模态运动，也有助于提高机器人的运动能力；通过心肌细胞层的收缩舒张，改变类生命体部分的曲率，从而实现基本运动，本专利技术的机器人其结构简单，操控方式简易，在外部电场的驱动控制下能够完成多种运动动作，在液体中具有良好的操控效果。
25、进一步，本专利技术在与多种外界环境交互作用下，具有游动、直立摆动、匍匐爬行、侧爬行四种运动模态；
26、进一步，本专利技术在不同的电刺激环境中展现出不同的运动能力，可以通过改变外界电刺激环境简单实现机器人的转向与速度控制；
27、进一步，本专利技术仅由一层心肌细胞，一层纤连蛋白和一层pdfm基底组成了机器人的类生命体运动部分，结构简单，制造方便；
28、进一步，本专利技术仅使用一层肌肉层实现了多模态运动，相较于多模块肌肉组织结构更加简单，使用更加灵活。
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1.一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人，其特征在于，包括，类生命体部分，所述类生命体部分包括PDMS底层(4)、FN条纹中间层(5)和心肌细胞层(6)；
2.根据权利要求1所述的一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人，其特征在于，所述还包括驱动控制部分，所述驱动控制部分包括刺激器(1)，溶液环境(2)和电极(3)；
3.根据权利要求2所述的一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人，其特征在于，所述溶液环境(2)为台式液或培养液，所述电极(3)的材料采用石墨、金、铂和银中的任意一种。
4.根据权利要求2所述的一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人，其特征在于，所述生物融合机器人的驱动电压为4-6V，驱动频率为0.5-2Hz。
5.根据权利要求1所述的一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人，其特征在于，所述胸节与尾节的微沟槽方向与机器人的轴向对称轴平行；所述腹节的微沟槽方向与机器人的轴向对称轴呈45度夹角。
6.根据权利要求1所述的一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人，其特征在于，所述PDMS底层(4)的材料采用聚二甲基硅氧烷，所述FN条纹中间
7.根据权利要求1所述的一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人，其特征在于，所述心肌细胞层(6)的材料采用原代乳鼠心肌细胞。
8.根据权利要求1所述的一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人，其特征在于，所述微沟槽的宽度以及相邻微沟槽之间的间距均为20μm。
9.根据权利要求1所述的一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人，其特征在于，所述的生物融合机器人的运动模态包括游动模态、直立摆动模态、匍匐爬行模态以及侧爬行模态；
10.一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人的工作方法，基于权利要求1-9任一项所述的仿口虾蛄的多模态生物融合机器人，其特征在于，包括，
...【技术特征摘要】
1.一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人，其特征在于，包括，类生命体部分，所述类生命体部分包括pdms底层(4)、fn条纹中间层(5)和心肌细胞层(6)；
2.根据权利要求1所述的一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人，其特征在于，所述还包括驱动控制部分，所述驱动控制部分包括刺激器(1)，溶液环境(2)和电极(3)；
3.根据权利要求2所述的一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人，其特征在于，所述溶液环境(2)为台式液或培养液，所述电极(3)的材料采用石墨、金、铂和银中的任意一种。
4.根据权利要求2所述的一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人，其特征在于，所述生物融合机器人的驱动电压为4-6v，驱动频率为0.5-2hz。
5.根据权利要求1所述的一种仿口虾蛄的多模态生物融合机器人，其特征在于，所述胸节与尾节的微沟槽方向与机器人的轴向对称轴平行；所述腹节的微沟槽方...
【专利技术属性】
技术研发人员：高琳，陈文瑜，谢璇璇，冯俊男，李涤尘，吕洋，武文泽，雷沁霖，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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