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《Science》子刊:可以實現有機和無機界面對化學信號自主分析的柔性傳感機器人
2019-07-24 10:50:10 | 【 【打印】【關閉】

  下一代軟體機器人 將通過集成合成生物學和軟材料科學從而獲得巨大的發展。合成生物學可以開發受生物啟發的結構體系,使不同尺度的生物系統的功能集成成為可能。軟體機器人發展的最新計劃,使用軟材料實現兼容、輕便、多功能的系統,從而仿生自然生物組織和有機體的強大機械性能和豐富的功能性。迄今為止,這些軟體機器人的構建模塊主要局限于由彈性體、流體、金屬合金和其他無機物組成的材料結構,包括使用氣動人工肌肉致動器、形狀記憶合金、介電彈性體等。在系統層面,柔軟和有彈性的材料已經被用來制造模仿自然生物的仿生機器人和仿生抓手。近日,科學家們將軟質材料與天然細胞結合起來,創造出能對外界刺激做出反應的“生物混合”系統。例如,由聚二甲基硅氧烷(PDMS)基質或3D打印支架上培養的收縮細胞驅動的游泳和爬行生物混合機器人。通過對細胞內部的工作方式進行重新編程,以充分利用其固有的多功能性,研究人員還創造了微型機器,可以作為傳感器、計算工具和計時設備。由此產生的小型化合成生物系統可以實現多功能化學信號檢測。所以,這些特性使得合成生物系統(合成細胞)有望成為集成、靈活、受生物啟發的結構中的子組件,應用于軟體機器人或其他可穿戴設備。

  將細胞與軟性機器人集成的一個主要挑戰是缺少一個界面模塊來同時實現外部環境與細胞之間的信號交換、細胞與內部電子學之間的通信以及機器人內部電子學與宿主力學之間的控制 。這種界面模塊必須防止工程細胞逃逸,同時允許在周圍環境中化學或電信號的轉化。此外,該模塊必須能夠將這些環境信號轉換為蜂窩信號,最后轉換為電信號。所有的信號轉和模塊設計都必須使機器人可以靈活運動,在小型設備也可以實現上述功能。

   

 

  為了解決上述的挑戰, 卡內基梅隆大學機械學院和生物醫學工程學院的Philip R. LeDuc 和加州大學戴維斯分校生物醫學工程學院的 Cheemeng Tan 團隊 ,聯合設計并集成了一個生物傳感模塊,該模塊的特點是: 將基因工程大腸桿菌集成到包含嵌入式電子元件、能夠以流體驅動的軟體機器人觸手中。 

   

 

  圖示一:將化學反應性合成細胞和柔性材料集成為可生物傳感的軟體機器人。

  該工作設計的模塊包括用多孔膜密封的有圖案的彈性體材料,以容納轉基因大腸桿菌菌株。大腸桿菌作為化學傳感層,可以靈活地整合現有的合成遺傳電路,也創建了一類新的軟機器人傳感器模式。大腸桿菌菌株對以熒光蛋白的形式存在的化學誘導物- isopropyl β-D-1-thiogalactopryanoside (IPTG)具有廣泛的響應。然后,由嵌入式電子元件激活并檢測熒光蛋白-IPTG,然后將信息傳遞給中央處理器(CPU),啟動機器人的決策和驅動。

  這種集成的方法允許實現真正的機器人自主功能,在這種功能中,抓取任務是根據外部刺激執行的,這些刺激是通過嵌入的合成細胞檢測到的。

   

 

  圖示二:使用柔性生物傳感觸手的機器人分揀。(A)除了先前測試的元件外,柔性生物傳感觸手的元件還包括柔性印刷電路板和嵌入式光電晶體管。(B)該裝置的特點是有一個培養基槽,通過4個自由度的機械臂將觸手浸入其中,以測試化學誘導劑的傳感模式。(C)與對照組相比,IPTG+鍍液中細胞的光電晶體管輸出隨時間的變化顯著,使系統能夠根據細胞的遺傳反應作出決定。(D)軟體機器人根據光電晶體管信號對物體進行分類,將物體分類為IPTG后,用三指生物傳感觸手將物體展開放入浴中。

  該文章的第一作者是 Kyle B. Justus ,通訊作者分別是 PhilipR. LeDuc教授 Cheemeng Tan教授 

  文章來源:高分子科學前沿、網易號

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