前沿洞察丨3D列印出奇蹟，太空中也能製造器官

2020-11-20 望潮科技

本期前沿洞察為大家帶來這些新鮮技術：可以在太空中製造器官的細胞培養系統；能挖隧道，可軍用的軟體機器人；人造肌肉和象鼻一樣靈活的柔性機器人......

一起來看看吧：

能在太空中製造器官的系統

3D 列印人體器官的最佳地點其實是在太空。2019 年，科學家為國際空間站開發了一臺「3D 生物製造設備」（3D BioFabrication Facility，簡稱 BFF）。這是世界上第一臺能夠在太空中製造人體組織的 3D 印表機，於 2019 年 7 月搭載 SpaceX 公司的貨運飛船到達國際空間站。在無重力條件下列印人體組織聽起來很酷，但科學家們為什麼會做這樣的嘗試呢？

在微重力條件下培養的細胞不會形成二維層，並且能在沒有支架的情況下保持理想的形狀。它們被帶回地球後會如何。事實上，重力的增加確實會對這些生物列印的組織結構施加很大的物理壓力。

Techshot 是一家與美國國家航空航天局合作設計 BFF 的公司，開發了一種細胞培養系統，可以使組織變硬，使其在一定程度上抵抗重力的影響。活組織的生物列印可以在一天內完成，然後放置在這個該系統中，進行 12 到 45 天的強化。經過這一成熟過程，新的生物列印組織會變得更健康，功能更強，更有活力，能夠承受返回地球的旅程。

能挖隧道，可軍用的軟體機器人

近日，美國通用電氣公司（General Electric Company，GE）更是受到蚯蚓和樹根的啟發，為現實版「神盾局」——美國國防部高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）研發了一款用於軍事行動的快速隧道挖掘機器人。

該項目的目標是，在存在爭議的環境中開發並展示快速建立的地下基礎設施的戰術用途。快速鑽出戰術隧道，有利於緊急軍事行動，比如可以實現快速彈藥補給、救援任務或其他緊急需求。

這種機器人能夠靈活地做出急轉彎、在狹窄的空間中穿梭、靈活地拾取或移動大小、形狀迥異的物體。他們設計了一個幾英尺長的機器人原型，其液壓人工肌肉可以模仿蚯蚓在土壤中移動的敏捷性，同時也擁有著樹根穿透軟巖石的力量。

在實驗室裡，GE Research 演示了機器人原型穿越土壤的過程。目前看來，機器人能以 10 釐米/秒的速度移動，一次能挖掘一條長 500 米、直徑至少 10 釐米的隧道。

這一項目將會持續 15 個月，目前這種軟體機器人也還是處於實驗室階段，究竟三個執行團隊最終會向 DARPA 拿出怎樣的方案，目前還是未知數。

哈工大造出柔性機器人，人造肌肉能和象鼻一樣靈活

哈爾濱工業大學冷勁松教授團隊與美國馬裡蘭大學 Norman M. Wereley 教授團隊受象鼻的啟發，基於氣動人工肌肉（Pneumatic artificial muscles，PAMs），研製出了一種新型柔性機器人。

該團隊在可伸展/收縮的氣動人工肌肉的基礎上設計了新型的彎曲螺旋可伸展/收縮氣動人工肌肉（HE-PAMs/HC-PAMs）。

根據論文，HE-PAMs/HC-PAMs 主要是由端部配件、彈性管、編織管和嵌入式柔性框架組成。

當 HE-PAMs/HC-PAMs 膨脹時，將產生繞軸的彎曲、旋轉運動，使致動器產生螺旋變形，類似我們曾在動物園見過的象鼻彎曲旋轉的運動過程。

而區分伸展還是收縮，主要取決於「編織角度」——編織角度 > 54.74 度時為 HE-PAMs（下圖 i）；編織角度 < 54.74 度時為 HC-PAMs。

在此基礎之上，研究團隊通過一個仿象鼻的高自由度柔性臂來探索 HE-PAMs/HC-PAMs 在柔性機器人領域的潛在應用。研究人員表示，HC-PAMs 輸出、負載能力很強，而 HE-PAMs 可產生更多的變形。

值得一提的是，這一研究提出了統一的理論方法，將會為其他研究人員提供可靠的參考——該團隊通過實驗、分析，建立了氣動人工肌肉的廣義彎曲行為模型，並在相同的理論框架下研究了軸向、彎曲和螺旋氣動人工肌肉的特性。

據了解，軸向、彎曲和螺旋氣動人工肌肉可以廣泛地應用於各個方向，比如軟體分類機器人、搜索機器人、生物機器人、運動輔助外骨骼、力反饋可穿戴設備等等。

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