CN106003004B - 一种基于液态金属的组织工程化的仿生机器人及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于液态金属的组织工程化的仿生机器人及制备方法。所述仿生机器人包括：流道结构单元设置在柔性聚合物薄膜的上表面，且流道结构单元的各条流道中设置有驱动单元并在所述流道的空隙处灌注培养液；第一柔性封装薄膜封装所述流道结构单元；液态金属电路设置在柔性聚合物薄膜的下表面，液态金属电路设置有多个电极，多个电极通过设置在所述柔性聚合物薄膜的通孔与所述驱动单元电连接；第二柔性封装薄膜封装所述液态金属电路；控制单元设置在柔性聚合物薄膜的下表面，用于释放电信号刺激所述驱动单元收缩，以使所述柔性聚合物范围弯曲变形。本发明可以使柔性仿生机器人具有更好的灵活性和变形能力。

Description

一种基于液态金属的组织工程化的仿生机器人及制备方法

技术领域

本发明涉及智能机器技术领域，具体涉及一种基于液态金属的组织工程化的仿生机器人。

背景技术

众所周知，生物体具有柔软的肌肉组织，有些软体动物则可以任意改变肢体形状，甚至是体型的大小，因而具有高度的灵活性和变形能力，使其能够很好的适应各种复杂环境。

研究人员仿照软体动物的肢体结构和运动模式设计出多种柔性仿生机器人。传统的柔性仿生机器人多采用如充气橡胶、介电弹性体、电致伸缩弹性体、碳纳米管和聚合物纤维等可变形柔性材料制作，然后采用电磁致动、气压驱动或温变驱动的方式实现柔性仿生机器人肢体的运动。这些传统的柔性仿生机器人已经具有较好的变形能力和高适应性，但与生物体的肌肉组织仍然存在一定的差距且需要复杂的辅助装置驱动机器人。

心肌细胞是一类可兴奋细胞，在外加电场的激励下可以收缩变形。在实现本发明实施例的过程中，发明人发现在柔性基底表面接种心肌细胞，并形成细胞簇，通过电场刺激可以使心肌细胞收缩从而带动柔性基底变形。这种运动方式与生物体的肌肉运动方式十分类似可以模拟生物的肢体运动。发明人还发现利用液态金属可以制造特定的刺激电路。这种电路系统不仅可以有效地对心肌细胞进行电刺激，而且其良好的流动性可以使电路基底具有良好的延展性和弹性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于液态金属的组织工程化的仿生机器人，可以使柔性仿生机器人具有更好的灵活性和变形能力。

第一方面，本发明提供了一种基于液态金属的组织工程化的仿生机器人，包括：控制单元、多个驱动单元、液态金属电路、柔性聚合物薄膜、第一柔性封装薄膜、第二柔性封装薄膜和设置有多条流道的流道结构单元；

所述流道结构单元设置在所述柔性聚合物薄膜的上表面，且所述流道结构单元的各条流道中设置有所述驱动单元并在所述流道的空隙处灌注培养液；

所述第一柔性封装薄膜封装所述流道结构单元；

所述液态金属电路设置在所述柔性聚合物薄膜的下表面，所述液态金属电路设置有多个电极，所述多个电极通过设置在所述柔性聚合物薄膜的通孔与所述驱动单元电连接；

所述第二柔性封装薄膜封装所述液态金属电路；

所述控制单元设置在所述柔性聚合物薄膜的下表面，用于释放电信号刺激所述驱动单元收缩，以使所述柔性聚合物范围弯曲变形。

可选地，所述驱动单元为组织工程化后的心肌细胞簇。

可选地，所述液态金属电路采用镓铟合金制成。

可选地，所述镓铟合金包括质量分数为75.5％的镓和24.5％的铟。

可选地，所述柔性聚合物薄膜为聚二甲基硅氧烷(PDMS)；

所述PDMS由质量比为10：1的PDMS预聚物和硅胶固化剂的混合物在75℃时加热一小时制成。

可选地，所述流道长度为5mm，宽度为0.5mm，深度为0.1mm，且任意两条流道间隔0.25mm。

第二方面，本发明还提供了一种基于液态金属的组织工程化的仿生机器人的制备方法，包括：

在柔性聚合物薄膜一表面上形成包括多条流道的流道结构单元；

在所述柔性聚合物薄膜的另一表面上形成液态金属电路；

在所述液态金属电路与所述流道的预设位置处形成通孔并灌注液态金属形成液态金属电极；

将控制单元和电源与所述液态金属电路连接后固定；

形成封装所述液态金属电路、所述控制单元和所述电源的第二柔性封装薄膜；

在所述流道中接种心肌细胞进行组织工程化后形成心肌细胞簇；

形成封装所述流道结构单元的第一柔性封装薄膜；

按照预设形状裁剪上一步骤中所述柔性聚合物薄膜得到仿生机器人。

可选地，所述流道长度为5mm，宽度为0.5mm，深度为0.1mm，且任意两条流道间隔0.25mm。

可选地，所述形成包括多条流道的流道结构单元的步骤包括：

在一平整硅片表面均匀旋涂一层100um厚的感光胶；

将预设流道图形的遮光胶片放置在感光胶的上表面；

使用紫外光照射所述感光胶30分钟；

取下遮光胶片后使用显影剂冲洗所述感光胶；

将质量比为10：1的PDMS预聚物和硅胶固化剂的混合物均匀涂抹在所述感光胶表面并在75℃时加热一小时固化成膜即得到具有多条流道的流道结构单元。

可选地，所述形成液态金属电路的步骤包括：

将质量比为10:1的PDMS预聚物和硅胶固化剂均匀混合得到混合液；

将所述混合液均匀涂抹在硅片表面，置于75℃环境下加热一小时得到固化后的PDMS薄膜；

在所述PDMS薄膜表面放置塑料或金属掩膜板；

利用液态金属喷枪将液态金属均匀喷涂在PDMS薄膜上；

取下掩膜板得到预设形状的液态金属液层。

由上述技术方案可知，本发明通过采用细胞经过组织工程化后得到细胞簇形成驱动单元，然后利用液态金属形成液态金属电路，由控制单元通过液态金属电路刺激驱动单元收缩，从而带动柔性聚合物薄膜伸展或者弯曲变形。可见，本发明利用细胞组织和人工材料相结合制作的仿生机器人，可以具有更好的灵活性和变形能力，可以为人工以及和肢体再生等领域提供极大参考价值。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种基于液态金属的组织工程化的仿生机器人的整体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于液态金属的组织工程化的仿生机器人的轴测图；

图3是图2中流道结构单元结构示意图；

图4是图2中液态金属电路示意图；

图5是图4中A-A’方向剖面示意图；

图6是本发明实施例提供的一种基于液态金属的组织工程化的仿生机器人的制备方法流程示意图；

图7是流道结构单元制备流程示意图；

图8是液态金属电路制备流程示意图；

图9是本发明一实施例中仿生机器人在未施加、施加电刺激情况下的状态示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明实施例提供的一种基于液态金属的组织工程化的仿生机器人的整体结构示意图。参见图1，该仿生机器人1包括位于中央的圆形控制区2和多条触手3(图1中示出了6条触手)组成。本发明一实施例中圆形控制区1的直径为15mm，运动触手3的长度为30mm，宽度为5mm。

实际应用中，该仿生机器人可以设置多条触手，且触手的长度与宽度也可以进行设置。在改变触手的长度与宽度时适当调整其他部件，同样可以实现本发明的技术方案。

图2示出了本发明实施例提供的一种基于液态金属的组织工程化的仿生机器人的轴测图。参见图2，该仿生机器人1从上到下可以分为三层：其中上层为第一柔性封装薄膜4，该第一柔性封装薄膜4为厚度0.5mm的PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜。中层为厚度1mm的PDMS薄膜5。在该PDMS薄膜5的上表面由深度为0.1mm的多条流道构成的流道结构单元。该流道结构单元形成心肌细胞生长层6。该PDMS薄膜5的下表面是液态金属电路7。下层是第二柔性封装薄膜8，该第二柔性封装薄膜8为厚度0.5mm的液态金属电路封装层。

需要说明的是，本发明实施例中上述第一柔性封装薄膜、第二柔性封装薄膜以及位于中间的PDMS薄膜还可以采用其他聚合高分子材料制成，同样可以实现本发明的技术方案。

需要说明的是，本发明实施例中心肌细胞取自新生Wistar大鼠。在无菌条件下对大鼠进行开胸手术取出新鲜的心室肌组织，使用胰蛋白酶对其旋转消化6min，得到细胞悬液，然后将细胞悬液放置在离心机中分离上清液，收集细胞，最后加入完全培养液稀释成10^6/ml的细胞悬液，接种在仿生机器人中层薄膜的流道中，放置在37摄氏度、5％二氧化碳培养箱中。经过一段时间的培养，心肌细胞在流道中贴壁生长，形成细胞簇，即对心肌细胞进行组织工程化。

图3示出了图2中流道结构单元的结构示意图。参见图3，中层PDMS薄膜5上表面有形成心肌细胞生长层6的流道结构单元：位于圆形控制区2的两个深度为0.1mm的椭圆形凹陷为心肌细胞完全培养液的存储池2a，可以存储较多的培养液。该存储池2a可以通过外加导管定期更换新鲜培养液，从而延长心肌细胞的使用寿命。如图3所示，每条触手3上设置有5组并行的心肌细胞流道2b。每组心肌细胞流道2b包括5条心肌细胞流道2b，心肌细胞流道2b长度为5mm，宽度为0.5mm，相互间隔0.25mm；每条心肌细胞流道2b和每组心肌细胞流道2b之间均通过较细的连接流道2c联通，其宽度为0.2mm，将培养液输送到各条心肌细胞流道2b。

参见图4和图5，中层PDMS薄膜5的下表面为液态金属电路7。该液态金属电路与位于圆形控制区的控制芯片及电源模块2d连接，包括位于每组心肌细胞流道2b两端的液态金属构成的电极2e、用于连接电极2e和控制芯片及电源模块2d的电极连接线2f。其中电极2e的直径为0.25mm，电极连接线2f的宽度为0.2mm。如图5所示，位于中层PDMS薄膜5的下表面的液态金属电极2e和上表面的每组心肌细胞流道2b两端一一对应，上下表面之间通过通孔2g连接，通孔2g内灌注液态金属。

需要说明的是，本发明实施例中液态金属是指，在常温(25℃)下呈现液态的金属，例如熔点在300℃以下的金属为镓、铟、锡、锌、铋、铅、镉、铜、银、金、汞、钠、钾、镁、铝、铁、钴、镍、锰、钛、钒中一种或多种的组合。优选地，本发明实施例中采用镓铟合金，且该镓铟合金由质量分数为75.5％的镓和24.5％的铟组成。本领域技术人员可以根据需要进行选择，本发明不作限定。

图6示出了，本发明实施例提供的一种基于液态金属的组织工程化的仿生机器人的制备方法流程示意图。参见图6，该制备方法包括：

S1、在柔性聚合物薄膜一表面上形成包括多条流道的流道结构单元；

S2、在所述柔性聚合物薄膜的另一表面上形成液态金属电路；

S3、在所述液态金属电路与所述流道的预设位置处形成通孔并灌注液态金属形成液态金属电极；

S4、将控制单元和电源与所述液态金属电路连接后固定；

S5、形成封装所述液态金属电路、所述控制单元和所述电源的第二柔性封装薄膜；

S6、在所述流道中接种心肌细胞进行组织工程化后形成心肌细胞簇；

S7、形成封装所述流道结构单元的第一柔性封装薄膜；

S8、按照预设形状裁剪上一步骤中所述柔性聚合物薄膜得到仿生机器人。

需要说明的是，步骤S1中每条流道长度为5mm，宽度为0.5mm，深度为0.1mm，且任意两条流道间隔0.25mm。当然，流道的长度、宽度和/为深度可以根据需要进行调节，本发明不作限定。

本发明实施例中采用光掩膜工艺制备流道结构单元，如图7所示，具体包括：

S11、在一平整硅片表面均匀旋涂一层100um厚的感光胶；

S12、将预设流道图形的遮光胶片放置在感光胶的上表面；

S13、使用紫外光照射所述感光胶30分钟；

S14、取下遮光胶片后使用显影剂冲洗所述感光胶；

S15、将质量比为10：1的PDMS预聚物和硅胶固化剂的混合物均匀涂抹在所述感光胶表面并在75℃时加热一小时固化成膜即得到具有多条流道的流道结构单元。

需要说明的是，步骤S11中均匀是指厚度相同或者基本相同，即在平整硅片表面形成厚度基本相同的感光胶涂层，即便存在误差也不影响后面工艺中的效果。

需要说明的是，步骤S12中预设流道图形是指，多条流道中每条流道的形状以及不同流道之间的位置关系。该预设流道图形可以根据具体使用场景进行设置，本发明不作限定。

需要说明的是，步骤S15中PDMS预聚物和硅胶固化剂的比例仅是本发明的一个优先实施例，例如：质量比为5：1、8：1、11：1或者12：1的情况下，在调节温度和/或加热时间的情况下，同样可以实现本发明的技术方案。本领域技术人员可以根据具体使用场景进行设置，本发明不作限定。

本发明实施例中形成液态金属电路，如图7所示，具体包括：

S21、将质量比为10:1的PDMS预聚物和硅胶固化剂均匀混合得到混合液；

S22、将所述混合液均匀涂抹在硅片表面，置于75℃环境下加热一小时得到固化后的PDMS薄膜；

S23、在所述PDMS薄膜表面放置塑料或金属掩膜板；

S24、利用液态金属喷枪将液态金属均匀喷涂在PDMS薄膜上；

S25、取下掩膜板得到预设形状的液态金属液层。

本发明实施例利用上述方法可以得到如1所示的仿生机器人以及图9所示的仿生机器人的触手。如图9所示，在未施加电刺激的情况下，心肌细胞处于舒展状态，心肌细胞层与下层柔性基底的长度相同，因而触手处于伸展状态(图9中上面所示的触手)。对心肌细胞施加电刺激后，心肌细胞(簇)发生收缩，使得细胞层的长度小于柔性基底的长度，从而使下层的柔性基底发生弯曲(图9中中间所示的触手)。为了增大每组流道的收缩强度，本发明实施例中每组流道中5条流道属于并联关系，这样5条流道同时收缩，使得整条触手可以实现5倍的弯曲角度，甚至达到螺旋弯曲(如图9中下面所示的触手)的效果。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于液态金属的组织工程化的仿生机器人，其特征在于，包括：控制单元、多个驱动单元、液态金属电路、柔性聚合物薄膜、第一柔性封装薄膜、第二柔性封装薄膜和设置有多条流道的流道结构单元；

所述流道结构单元设置在所述柔性聚合物薄膜的上表面，且所述流道结构单元的各条流道中设置有所述驱动单元并在所述流道的空隙处灌注培养液；

所述第一柔性封装薄膜封装所述流道结构单元；

所述液态金属电路设置在所述柔性聚合物薄膜的下表面，所述液态金属电路设置有多个电极，所述多个电极通过设置在所述柔性聚合物薄膜的通孔与所述驱动单元电连接；

所述第二柔性封装薄膜封装所述液态金属电路；

所述控制单元设置在所述柔性聚合物薄膜的下表面，用于释放电信号刺激所述驱动单元收缩，以使所述柔性聚合物弯曲变形。

2.根据权利要求1所述的仿生机器人，其特征在于，所述驱动单元为组织工程化后的心肌细胞簇。

3.根据权利要求1所述的仿生机器人，其特征在于，所述液态金属电路采用镓铟合金制成。

4.根据权利要求3所述的仿生机器人，其特征在于，所述镓铟合金包括质量分数为75.5％的镓和24.5％的铟。

5.根据权利要求1所述的仿生机器人，其特征在于，所述柔性聚合物薄膜为PDMS(聚二甲基硅氧烷)；

所述PDMS由质量比为10：1的PDMS预聚物和硅胶固化剂的混合物在75℃时加热一小时制成。

6.根据权利要求1所述的仿生机器人，其特征在于，所述流道长度为5mm，宽度为0.5mm，深度为0.1mm，且任意两条流道间隔0.25mm。

7.一种基于液态金属的组织工程化的仿生机器人的制备方法，其特征在于，包括：

在柔性聚合物薄膜一表面上形成包括多条流道的流道结构单元；

在所述柔性聚合物薄膜的另一表面上形成液态金属电路；

在所述液态金属电路与所述流道的预设位置处形成通孔并灌注液态金属形成液态金属电极；

将控制单元和电源与所述液态金属电路连接后固定；

形成封装所述液态金属电路、所述控制单元和所述电源的第二柔性封装薄膜；

在所述流道中接种心肌细胞进行组织工程化后形成心肌细胞簇；

形成封装所述流道结构单元的第一柔性封装薄膜；

按照预设形状裁剪上一步骤中所述柔性聚合物薄膜得到仿生机器人。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述流道长度为5mm，宽度为0.5mm，深度为0.1mm，且任意两条流道间隔0.25mm。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述形成包括多条流道的流道结构单元的步骤包括：

在一平整硅片表面均匀旋涂一层100um厚的感光胶；

将预设流道图形的遮光胶片放置在感光胶的上表面；

使用紫外光照射所述感光胶30分钟；

取下遮光胶片后使用显影剂冲洗所述感光胶；

将质量比为10：1的PDMS预聚物和硅胶固化剂的混合物均匀涂抹在所述感光胶表面并在75℃时加热一小时固化成膜即得到具有多条流道的流道结构单元。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述形成液态金属电路的步骤包括：

将质量比为10:1的PDMS预聚物和硅胶固化剂均匀混合得到混合液；

将所述混合液均匀涂抹在硅片表面，置于75℃环境下加热一小时得到固化后的PDMS薄膜；

在所述PDMS薄膜表面放置塑料或金属掩膜板；

利用液态金属喷枪将液态金属均匀喷涂在PDMS薄膜上；

取下掩膜板得到预设形状的液态金属液层。