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。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。近年來，世界范圍內(nèi)相關(guān)研究大多是基于細胞和組織的生物驅(qū)動實現(xiàn)，基于光和電的簡單速度和方向控制。由于缺乏對基于細胞生物驅(qū)動的模型理論研究，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)。
近日，中國科學(xué)院沈陽自動化研究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。研究以彈簧、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)，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，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)，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。該研究以肌細胞為驅(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)。
相關(guān)研究成果發(fā)表在Biophysical Journal上，并被作為亮點成果加以推薦展示。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、中科院、機器人學(xué)國家重點實驗室等的資助。
