类生命机器人是近十年来机器人领域新兴的前沿研究方向，核心是将离体生命单元与传统的机电结构在分子、细胞和组织尺度上进行深度有机的物理和信息融合，形成一种新型的基于生命功能机制的机器人系统，从而使机器人能够兼具生命系统的优势和传统机电系统的优点，如生物体的高能量转换效率、本质安全性，以及机电系统的高强度、高重复性等。类生命机器人有望解决和克服目前制约机器人发展的技术瓶颈和挑战，如能源转化率低、缺乏本质安全和柔顺驱动控制、作业灵活性差等问题。近年来，世界范围内相关研究大多是基于细胞和组织的生物驱动实现，基于光和电的简单速度和方向控制。由于缺乏对基于细胞生物驱动的模型理论研究，类生命机器人面临运动控制、动力学匹配等关键问题和技术挑战。

 

近日，中国科学院沈阳自动化研究所微纳米课题组针对上述问题提出了一种基于肌细胞亚细胞结构的细胞机械动力学模型，描述肌细胞跳动的动力学行为。研究以弹簧、变阻尼和电动机等机电部件模拟心肌细胞的亚细胞结构，获得单个心肌细胞的机械动力学模型。在实验验证中，利用扫描离子电导显微镜获取细胞跳动曲线，根据所测得的细胞动态曲线辨识出细胞理论机械动力学模型系统的参数，获得单个活体细胞亚细胞结构的多维物理机电特性（细胞亚结构的粘性、弹性、质量和动作电位）。由于扫描离子电导显微镜具有对生物样本无损检测的特性，同时采用基于活体肌细胞亚细胞结构的建模方法，可实现单细胞亚细胞结构的多维多模态物理特性（粘性、弹性、质量、动作电位）的原位无损同步获取。该研究以肌细胞为驱动单元的类生命机器人的动力学匹配及控制技术方法研究奠定了理论和技术基础。



相关研究成果发表在Biophysical Journal上，并被作为亮点成果加以推荐展示。该研究得到了国家自然科学基金委、中科院、机器人学国家重点实验室等的资助。