生物混合微型机器人的新兴技术综述gydF4y2Ba

摘要gydF4y2Ba

在过去的几十年里,机器人研究已经见证了对小型化、智能化和集成机器人越来越高的兴趣。机器人的重要组成部分是决定其性能的执行机构。尽管传统的刚性驱动器,如电机和燃气发动机,在大多数宏观环境中已经非常普遍,但将这些驱动器减小到毫米级甚至更低的尺度会导致制造难度的显著增加,同时性能也会显著下降。由活细胞驱动的生物混合机器人可能是克服这些缺陷的潜在解决方案,受益于活组织固有的微型自组装和高能效,除了其他前所未有的特性外,还具有灵活性,自我修复,甚至多个自由度。本文系统地回顾了生物混合机器人的发展。首先介绍了生物柔性驱动的发展,强调了生物柔性驱动相对于传统驱动的优势。其次,从生物驱动源、致动器材料和结构及相关控制方法三个方面详细综述了生物混合机器人的最新研究进展。最后,探讨了生物混合机器人未来的潜在应用和主要挑战。gydF4y2Ba

图形抽象gydF4y2Ba

简介gydF4y2Ba

机器人技术在过去几十年发展迅速,已经使人类在许多繁重和重复的任务中受益。尽管人们主要关注大型机器人,但近年来人们对智能微型机器人的兴趣也有所增加。由于体积小,微型机器人可以模拟真实生物的形状和运动,从而实现传统机器人难以完成的操作。例如,在地震期间,微型机器人可以在废墟中移动进行搜索和救援;或者在医学治疗中,它们可以进入人体静脉进行微创手术。gydF4y2Ba

机器人主要由驱动器、控制系统、执行机构和传感器组成[gydF4y2Ba1gydF4y2Ba,gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba].其中,驱动器作为机器人的动力转换部件,决定了机器人的运动模式和性能。微型机器人设计和制造的关键是驱动装置的小型化。微型机器人驱动器可分为三类:传统刚性驱动器[gydF4y2Ba4gydF4y2Ba,gydF4y2Ba5gydF4y2Ba,gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,gydF4y2Ba7gydF4y2Ba,gydF4y2Ba8gydF4y2Ba]、柔性材料传动[gydF4y2Ba9gydF4y2Ba,gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba11gydF4y2Ba,gydF4y2Ba12gydF4y2Ba,gydF4y2Ba13gydF4y2Ba],以及生物材料驱动[gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,gydF4y2Ba16gydF4y2Ba,gydF4y2Ba17gydF4y2Ba,gydF4y2Ba18gydF4y2Ba].gydF4y2Ba

传统的刚性传动包括液压、气动和最常用的电磁电机。例如,纳杰菲团队开发的蟑螂状机器人[gydF4y2Ba19gydF4y2Ba]以及克罗恩的团队开发的类似果蝇的机器人[gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba用马达来实现行走或飞行的动作。虽然这种传统的驱动技术有成熟的控制理论和复杂的制造工艺作为支撑,但其工作原理与真实生物的工作原理存在较大差异,无法准确模拟生物的运动特性。更重要的是,当驱动器尺寸需要缩小到毫米级或更小时,传统驱动器的制造难度急剧增加,而其输出力和功率密度呈指数级下降(毫米级,最大输出力约10 μN,输出功率密度< 0.01 kW/kg) [gydF4y2Ba21gydF4y2Ba,gydF4y2Ba22gydF4y2Ba].同时,其可靠性不佳、使用寿命相对较短、节能效率低等缺陷在微型化范围内逐渐恶化。例如,由哈佛大学开发的由电池供电,充满电后像蜜蜂一样的微型机器人只能飞行几秒钟。gydF4y2Ba7gydF4y2Ba].美国普渡大学研制的蜂鸟机器人由两个马达驱动,最多只能飞行1.23分钟[gydF4y2Ba23gydF4y2Ba].gydF4y2Ba

针对传统刚性驱动器的缺陷,采用介电弹性体驱动器(DEA)等柔性刺激活性材料的新型驱动方法[gydF4y2Ba24gydF4y2Ba,gydF4y2Ba25gydF4y2Ba,gydF4y2Ba26gydF4y2Ba],形状记忆合金(SMA) [gydF4y2Ba27gydF4y2Ba,gydF4y2Ba28gydF4y2Ba,gydF4y2Ba29gydF4y2Ba]、液晶弹性体[gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba,gydF4y2Ba31gydF4y2Ba,gydF4y2Ba32gydF4y2Ba,gydF4y2Ba33gydF4y2Ba]是发达的。例如,Wood 's [gydF4y2Ba34gydF4y2Ba团队开发了一种由多层介电弹性体驱动的飞行机器人,它可以感知和承受与障碍物的碰撞,并利用材料的鲁棒性和机器的被动稳定性从碰撞中恢复。与传统的驱动方式相比,这种柔性材料驱动可以在毫米甚至更小的尺度上通过电刺激驱动,具有更好的自我修复能力和可靠性等优点。然而,由于对应力、应变、响应速度、效率、寿命等方面的研究不够深入,柔性材料驱动器的研究仍处于起步阶段,存在功率密度低、驱动电压高等缺点,仍阻碍着其实际应用。gydF4y2Ba

相比之下,随着生物工程、纳米技术和三维生物打印等跨学科学科的发展[gydF4y2Ba35gydF4y2Ba,gydF4y2Ba36gydF4y2Ba,gydF4y2Ba37gydF4y2Ba,gydF4y2Ba38gydF4y2Ba,gydF4y2Ba39gydF4y2Ba],生物活体驱动器与非活体生物材料的结合成为克服现有驱动方法局限性的可能解决方案。与传统的刚性驱动和柔性材料驱动机器人相比,生物材料驱动的生物混合机器人(又称生物机器人)能够更好地再现生物体的微观结构和运动模式,在毫米及更小尺度上具有显著的可控性、输出力和功率密度高的优势,并具有潜在的自组装、自我修复和自我复制能力[gydF4y2Ba40gydF4y2Ba,gydF4y2Ba41gydF4y2Ba,gydF4y2Ba42gydF4y2Ba,gydF4y2Ba43gydF4y2Ba,gydF4y2Ba44gydF4y2Ba].例如,Bashir等人设计的微型机器人。[gydF4y2Ba45gydF4y2Ba]可在光刺激作用下进行准确的多向和转向运动,具有较高的可控性和节能性。gydF4y2Ba

在自然界中,生物通常表现出较高的灵活性和能量转换效率,因此有望成为新一代机器人的模型。生物混合机器人具有前所未有的仿生驾驶性能,有望在力学、生物医学、材料科学、化学工程等许多领域产生巨大应用。本文综述了生物混合机器人的最新进展。本节将介绍生物混合机器人。接下来,对微生物机器人驱动技术的相关研究进行了深入的综述。考虑到生物学、材料科学、机械和其他相关学科,我们从三个主要方面描述了生物机器人:生物组成、底层材料和结构/控制机制,同时强调了每个领域的最新进展。最后,我们讨论和总结了生物混合机器人研究的潜在应用和未来挑战。gydF4y2Ba

用于生物混合机器人的活驱动源gydF4y2Ba

大多数传统的刚性机器人和软材料机器人都无法同时满足小型化和节能的要求。因此,迫切需要一种具有高灵活性和驱动力的新型驱动源来满足机器人的尺寸和输出力的要求[gydF4y2Ba46gydF4y2Ba,gydF4y2Ba47gydF4y2Ba,gydF4y2Ba48gydF4y2Ba,gydF4y2Ba49gydF4y2Ba].许多自然进化的活组织可以产生持久的必要驱动力,它们可能被用作微生物机器人的理想驱动力。gydF4y2Ba50gydF4y2Ba他在2005年首次提出了生物机器人,这打开了潘多拉的盒子,并引发了该领域在未来15年的快速发展。根据生物组成,生物驱动源大致可分为五类:哺乳动物原代细胞[gydF4y2Ba51gydF4y2Ba,gydF4y2Ba52gydF4y2Ba,gydF4y2Ba53gydF4y2Ba,gydF4y2Ba54gydF4y2Ba,gydF4y2Ba55gydF4y2Ba]、哺乳动物细胞系(主要是心肌细胞及骨骼肌细胞)[gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba56gydF4y2Ba,gydF4y2Ba57gydF4y2Ba,gydF4y2Ba58gydF4y2Ba,gydF4y2Ba59gydF4y2Ba]、昆虫背部维管组织[gydF4y2Ba60gydF4y2Ba,gydF4y2Ba61gydF4y2Ba,gydF4y2Ba62gydF4y2Ba,gydF4y2Ba63gydF4y2Ba]、微生物[gydF4y2Ba64gydF4y2Ba,gydF4y2Ba65gydF4y2Ba,gydF4y2Ba66gydF4y2Ba,gydF4y2Ba67gydF4y2Ba,gydF4y2Ba68gydF4y2Ba]及其他(精子、T细胞等)[gydF4y2Ba69gydF4y2Ba,gydF4y2Ba70gydF4y2Ba,gydF4y2Ba71gydF4y2Ba,gydF4y2Ba72gydF4y2Ba,gydF4y2Ba73gydF4y2Ba)(如图。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba和表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba).每一类的最新发展将在以下章节中进行回顾。gydF4y2Ba

图1gydF4y2Ba
图1gydF4y2Ba

图的顶部显示了从2005年到2020年生物材料驱动的生物机器人研究的一些主要里程碑。底部展示了由原代细胞、细胞系、背侧血管(DV)组织和微生物组成的生物机器人的整体设计过程gydF4y2Ba

表1不同驱动源的优缺点gydF4y2Ba

哺乳动物细胞gydF4y2Ba

这里所说的原代哺乳动物细胞,一般是指从哺乳动物器官或肌肉中提取的细胞悬浮液,经组织培养后可形成新的肌肉组织。这种类型最常用的细胞是从新生小鼠中提取的原代心肌细胞和原代骨骼肌细胞。这两种细胞的肌肉执行器由于具有足够的发育可塑性,可以种植在细胞外材料上形成集成器件,在生物混合机器人中得到了广泛的应用。gydF4y2Ba

原发性心肌细胞gydF4y2Ba

这些细胞通常从幼鼠的心室中分离出来,然后种植在人造材料上形成肌肉。原代心肌细胞植入人工材料培养2天后,具有自发同步收缩的特点,一般在6天后达到稳定[gydF4y2Ba74gydF4y2Ba,gydF4y2Ba75gydF4y2Ba,gydF4y2Ba76gydF4y2Ba].单个心肌细胞的大小约为100 μm × 100 μm × 10 μm,其节律性收缩可产生约10 μN [gydF4y2Ba77gydF4y2Ba].随着肌肉细胞分化为肌肉组织,最大输出力将进一步增加,比传统机器人按比例缩小到相同微尺度的驱动力更大。因此,心肌细胞被广泛用于驱动各种生物机器人,以实现变形、行走、抓取等操作。gydF4y2Ba

gydF4y2Ba50gydF4y2Ba]研制出了第一台具有自主移动能力的行走机器人(长138 μm,腿宽40 μm),为后续研究奠定了基础。在心肌细胞自发收缩的驱动下,他们的机器人在培养3天后的最大速度可以达到38 μm/s。类似地,Bashir等人。[gydF4y2Ba78gydF4y2Ba,gydF4y2Ba79gydF4y2Ba]提出了一种心肌细胞驱动的移动机器人,由“生物双形态”悬臂结构和不对称形状的基座组成,如图所示。gydF4y2Ba2gydF4y2Baa.确定悬臂梁的最佳尺寸为7 mm × 2 mm × 182 μm。心肌细胞的收缩导致不对称结构的保留,从而驱动机器人以236 μm/s的最大速度行走。同年,帕克的团队[gydF4y2Ba80gydF4y2Ba]将计算机辅助设计与生理性能相结合,开发出了更为复杂的水母机器人,如图所示。gydF4y2Ba2gydF4y2Bab.通过电刺激控制肌肉收缩和松弛的速度,驱动和控制水母状聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜向指定的方向游动。gydF4y2Ba

图2gydF4y2Ba
figure2gydF4y2Ba

基于哺乳动物原代细胞的生物机器人示例:gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba生物机器人由带有种子心脏细胞片的生物双形态悬臂组成(转载须授权参考[gydF4y2Ba79gydF4y2Ba]);gydF4y2BabgydF4y2Ba由正确排列的心肌细胞收缩的具有定制功能的水母肌肉结构(转载须授权参考[gydF4y2Ba80gydF4y2Ba]);gydF4y2BacgydF4y2Ba由心肌细胞组成的肌肉组织驱动的趋光装置(经许可转载,参考[gydF4y2Ba81gydF4y2Ba]);gydF4y2BadgydF4y2Ba心肌细胞驱动的软体机器人爬行过程及运动过程中的颜色变化(转载须授权参考[gydF4y2Ba53gydF4y2Ba]);gydF4y2BaegydF4y2Ba由一对初级骨骼肌组织驱动的生物机器人,具有仿生运动及其操作(转载须授权参考[gydF4y2Ba86gydF4y2Ba]);gydF4y2BafgydF4y2Ba构建骨骼肌组织覆盖胶原蛋白结构的生物混合机器人(经许可复制,参考[gydF4y2Ba51gydF4y2Ba])gydF4y2Ba

尽管心肌细胞可以自发收缩,但执行设计和可控操作的能力是生物机器人更可取的资产。基于之前的研究,Parker等人在2016年设计了蝙蝠鱼机器人[gydF4y2Ba81gydF4y2Ba)(如图。gydF4y2Ba2gydF4y2Bac).心肌细胞通过细胞工程和基因工程修饰,培养在包裹在微型金属骨架中的弹性体上,使其呈蛇形分布。通过控制光线的位置来刺激心肌细胞的局部收缩,这种蝙蝠鱼可以以最高3.2毫米/秒的速度游泳。当运动控制实现后,人们希望通过肉眼直接观察机器人的运动状态,这引发了视觉可观察反馈机器人的研究。赵的团队在2020年开发了一种毛毛虫状的机器人[gydF4y2Ba53gydF4y2Ba(图。gydF4y2Ba2gydF4y2BaD)通过碳纳米管水凝胶的二次聚合,在心肌细胞收缩的刺激下形成结构变色水凝胶。有序排列的二氧化硅纳米颗粒产生光子带隙结构,从而使水凝胶具有生动的结构色彩[gydF4y2Ba82gydF4y2Ba,gydF4y2Ba83gydF4y2Ba,gydF4y2Ba84gydF4y2Ba].因此,通过扫描颜色光谱的变化,可以直接观察到机器人的运动状态。此外,在弱磁场作用下,机器人可以模拟毛毛虫的爬行行为,实现自主定向运动。gydF4y2Ba

原代心肌细胞虽然具有天然生物相容性、高效、高驱动力等优点,但其自发收缩阻碍了细胞实现复杂任务的精确控制。而且,它们的寿命相对较短,在一周的培养过程中,输出功率逐渐下降[gydF4y2Ba76gydF4y2Ba].gydF4y2Ba

初级骨骼肌gydF4y2Ba

与原代心肌细胞的研究量相比,原代骨骼肌细胞的研究较少。尽管它们的寿命相对较短(几小时到几天),但原代骨骼肌细胞不会自发收缩,这使得其具有更高的可控性和更动态、更复杂的活动[gydF4y2Ba47gydF4y2Ba].gydF4y2Ba

2013年,Morishima等人[gydF4y2Ba85gydF4y2Ba设计了一个由骨骼肌驱动的活假肢。当肌肉受到电刺激时,它的“手”就会动起来。骨骼肌虽然具有较高的可控性,但由于培养过程中固有的内部牵引,骨骼肌在时间维度上缺乏一致性。鉴于此,Takeuchi等人[gydF4y2Ba86gydF4y2Ba]设计了一个由一对拮抗骨骼肌组织块驱动的生物机器人,以平衡内部牵引力,如图所示。gydF4y2Ba2gydF4y2Bae.在50 Hz的电刺激下,机器人可以通过选择性地驱动特定的肌肉组织来实现90°旋转运动,使机器人能够抓取和放置小物体。解决了内在收缩的问题,机器人的寿命也可以延长到一周以上。gydF4y2Ba

虽然由骨骼肌驱动的生物机器人可以完成各种运动,但问题是它们只能在培养基中而不是环境空气中运行。2020年,在他们之前研究的基础上,竹内的团队开发了一种能够在空气中移动的生物机器人[gydF4y2Ba51gydF4y2Ba,如图所示。gydF4y2Ba2gydF4y2Baf.机器人将骨骼肌组织和柔性基底材料包裹在胶原蛋白结构中,以保持空气中必要的湿度。结果表明,该机器人在空气中保持较高的细胞活性和收缩力,并能在电刺激作用下弯曲。此外,灌注培养液可大大延长驱动时间,最长可达1 h,比未灌注培养液延长4倍。gydF4y2Ba

主要骨骼肌驱动生物机器人的研究已经取得了很大的进展;然而,由于原代细胞的寿命相对较短,以及相关的动物牺牲造成的潜在伦理问题,使用原代细胞仍然存在挑战。gydF4y2Ba

C2C12骨骼肌细胞gydF4y2Ba

骨骼肌细胞系(如C2C12)在研究中比衍生心肌细胞更受欢迎,因为它们为需要完全可控性和模块化设计的生物机器人提供了理想的电源。骨骼肌由平行纤维束构成。机械和电刺激可促进细胞向肌肉分化[gydF4y2Ba87gydF4y2Ba,gydF4y2Ba88gydF4y2Ba,gydF4y2Ba89gydF4y2Ba],增强肌肉功能,并驱动生物机器人的运动。此外,骨骼肌细胞的能量供应来自三磷酸腺苷(ATP),在微观尺度上,它比传统的马达驱动更有效。因此,在大量由骨骼肌肉细胞系驱动的机器人上进行了广泛的研究。例如,巴希尔等人。gydF4y2Ba90gydF4y2Ba]通过3D打印技术,对结构不对称的两足梁式机器人进行性能优化,如图所示。gydF4y2Ba3.gydF4y2Baa.生物机器人最大单向移动速度可达156 μm/s(机器人尺寸为6 mm × 3 mm × 1.2 mm)。该机器人也是第一个完全由外部信号控制的骨骼肌驱动的无系绳生物机器人。然而,它仍有两个局限性:(1)由于肌环的固定,结构适应性受到限制;(2)单向运动模式是其机动性的障碍。该小组随后设计了一个由光敏刺激器修饰的C2C12骨骼肌细胞驱动的四足机器人[gydF4y2Ba45gydF4y2Ba,如图所示。gydF4y2Ba3.gydF4y2Bab.骨骼肌细胞分化为肌环,通过局部光刺激单个肌环实现定向运动。此外,肌肉环可以手动转移到各种生物机器人骨骼上。在此基础上,团队提出了模块化骨骼肌设计方法[gydF4y2Ba91gydF4y2Ba].毫米驱动器可用于驱动各种3d打印骨架(如两足梁,四足梁,甚至八足机器人),从而提高驱动器的多功能性。gydF4y2Ba

图3gydF4y2Ba
图3gydF4y2Ba

基于哺乳动物细胞系的生物机器人示例。gydF4y2Ba一个gydF4y2BaC2C12骨骼肌驱动的双足机器人及其制造方法(转载须授权参考[gydF4y2Ba90gydF4y2Ba]);gydF4y2BabgydF4y2Ba用于驱动机器人的肌肉环的制备(已获授权转载参考[gydF4y2Ba45gydF4y2Ba]);gydF4y2BacgydF4y2Ba肌肉动力生物机器的设计、制造和表征的模块化方法(转载须授权参考[gydF4y2Ba95gydF4y2Ba]);gydF4y2BadgydF4y2Ba神经元和肌肉的通用共培养平台(转载须授权,参考[gydF4y2Ba96gydF4y2Ba]);gydF4y2BaegydF4y2Ba由冷冻心肌细胞提供动力的微型泵(经授权转载,参考[gydF4y2BaOne hundred.gydF4y2Ba])gydF4y2Ba

电刺激和光刺激是控制骨骼肌的常用方法,但其机制仍与真实生物不同。真实生物的运动是通过神经网络传递电信号来实现的,这些电信号刺激和驱动肌肉组织的收缩和松弛,从而协调身体特定部位的运动[gydF4y2Ba92gydF4y2Ba,gydF4y2Ba93gydF4y2Ba,gydF4y2Ba94gydF4y2Ba].直到2019年,赛义夫等人才朝着这一目标迈出了一步。gydF4y2Ba95gydF4y2Ba由神经和肌肉驱动的双尾游泳机器人(如图2所示)。gydF4y2Ba3.gydF4y2Bac).其中,C2C12骨骼肌细胞形成的肌肉组织与神经元原位共培养,使运动神经元轴突选择性延伸至肌肉组织,形成功能神经肌肉单元。在光刺激下,神经肌肉驱动机器人可以在低雷诺数的液体中以0.7 μm/s的速度游泳。在此基础上,团队设计了一个通用的3D神经肌肉共培养平台[gydF4y2Ba96gydF4y2Ba)(如图。gydF4y2Ba3.gydF4y2Bad).该平台允许与多达四个目标肌肉共培养神经元集群,并用于量化肌肉收缩力。它还提供了进一步探索协同作用在神经肌肉生物驱动的发展中的作用的手段。gydF4y2Ba

鉴于近年来研究的进展,哺乳动物肌肉细胞,无论是原代细胞还是细胞系,似乎都是生物机器人非常有前途的驱动来源。然而,它们也有缺点,例如寿命相对较短,依赖培养条件(营养物质、氧气、温度、pH值)和其他体内条件才能正常工作。gydF4y2Ba

心肌细胞来源于干细胞gydF4y2Ba

哺乳动物原代细胞系的研究在用于肌肉组织驱动生物机器人的转化细胞系的开发中发挥了重要作用,本节将对此进行讨论。gydF4y2Ba

心肌细胞可通过化学、电或其他刺激方法诱导干细胞分化而形成[gydF4y2Ba97gydF4y2Ba].由于心肌细胞的数量在生物体中通常是恒定的,这种类型的细胞系通常很难获得。与原代心肌细胞不同,原代心肌细胞可以连接到细胞切片上以提高输出力[gydF4y2Ba59gydF4y2Ba],分离出来的心肌细胞只能产生有限的力量。由于这些原因,优化由这种细胞类型驱动的生物机器人的结构设计受到了重视。例如,Tanaka等人。gydF4y2Ba59gydF4y2Ba他从冷冻的大鼠心肌细胞中构建了微型泵,它通过膜和立方体收集心肌细胞产生的力,并将其转移到泵液中。他们的微泵理论流量可达6.3 nL/min,这与之前由原代心肌细胞形成的微泵的理论流量一致[gydF4y2Ba98gydF4y2Ba,gydF4y2Ba99gydF4y2Ba],证明了由干细胞来源的心肌细胞驱动的微型设备的可行性。该团队进一步开发了一种新型微型泵驱动系统[gydF4y2BaOne hundred.gydF4y2Ba)(如图。gydF4y2Ba3.gydF4y2BaE)通过诱导小鼠胚状细胞分化原位形成心肌细胞。培养两周后,可以观察到泵的周期性振荡,理论流量为6.9 nL/min,也达到了原代心肌细胞驱动的微泵的流量。然而,诱导干细胞分化为心肌细胞的复杂性和成本是目前存在的挑战,对培养条件进行优化控制对于实际应用至关重要。gydF4y2Ba

昆虫背血管(DV)组织gydF4y2Ba

昆虫背部的中央脉动血管起着心脏的作用,它在没有任何刺激的情况下以恒定的频率收缩。它含有DV组织,作为另一种驱动源,显示出许多独特的特性,超过了哺乳动物的对应物。例如,昆虫组织可以在更广泛的外部和内部环境条件下生存,如温度范围为0-55℃,pH范围为4-11。有些昆虫组织甚至可以在完全缺氧的情况下存活数天[gydF4y2Ba101gydF4y2Ba].在寿命方面,由昆虫DV组织驱动的机器人在不需要更换介质的情况下可存活长达90天,这比哺乳动物细胞驱动的生物机器人寿命要长得多[gydF4y2Ba102gydF4y2Ba].gydF4y2Ba

Morishima等人[gydF4y2Ba103gydF4y2Ba]开发了一种昆虫肌肉驱动的自主微型机器人,其最大速度可达257 μm/s,比之前报道的生物机器人速度更快[gydF4y2Ba50gydF4y2Ba,gydF4y2Ba104gydF4y2Ba].在这个项目的基础上,他们开发了一种可以在周围环境中工作的生物驱动器,由DV组织、微镊子和胶囊组成[gydF4y2Ba105gydF4y2Ba)(如图。gydF4y2Ba4gydF4y2Baa).通过将执行器从介质转移到空气中,可实现自缩驱动镊子的开关。在胶囊表面浇铸液体石蜡,使用寿命可由40 min左右延长至5.2天。本研究显示了昆虫DV组织作为可在环境下操作的生物驱动器的巨大潜力。gydF4y2Ba

图4gydF4y2Ba
装具gydF4y2Ba

基于DV组织和微生物的生物机器人示例。gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba生物杂交镊子电源的原理图设计和实际数字图像,将昆虫DV组织包装在培养基中,以扩大应用范围(转载须授权参考[gydF4y2Ba105gydF4y2Ba]);gydF4y2BabgydF4y2Ba由DV组织的自主脉动驱动的自主游泳生物机器人(转载须授权参考[gydF4y2Ba62gydF4y2Ba]);gydF4y2BacgydF4y2Ba由单细胞淡水绿色微藻驱动的生物相容性生物杂交微游泳者(已获许可转载,参考[gydF4y2Ba121gydF4y2Ba]);gydF4y2BadgydF4y2Ba生物混合细菌驱动的微游泳器和三通道微流体浓度梯度发生器(转载须授权参考。[gydF4y2Ba124gydF4y2Ba]);gydF4y2BaegydF4y2Ba一种多功能微型游泳器,由单个的gydF4y2Ba大肠杆菌gydF4y2Ba附着在磁性纳米颗粒嵌入的载药聚电解质多层颗粒表面(转载须授权参考[gydF4y2Ba125gydF4y2Ba]);gydF4y2BafgydF4y2Ba具有免疫原性的生物机器人由纳米红细胞和gydF4y2Ba大肠杆菌gydF4y2Ba(转载须获许可,参考[gydF4y2Ba126gydF4y2Ba])gydF4y2Ba

2019年,Morishima等人提出了DV组织驱动的游泳运动员原型[gydF4y2Ba62gydF4y2Ba)(如图。gydF4y2Ba4gydF4y2BaB)达到11.7 μm/s的平均游动速度。虽然这个机器人比其他一些游泳机器人要慢[gydF4y2Ba106gydF4y2Ba],所提供的驱动程序解决方案是一种低成本、仿生和方便可用的选择。gydF4y2Ba

昆虫驱动提供了生物驱动的替代品,在恶劣环境下的机器人应用中特别有意义。gydF4y2Ba

微生物gydF4y2Ba

除了由肌肉细胞驱动的生物机器人外,微生物也被广泛用于驱动生物机器人[gydF4y2Ba107gydF4y2Ba,gydF4y2Ba108gydF4y2Ba,gydF4y2Ba109gydF4y2Ba,gydF4y2Ba110gydF4y2Ba,gydF4y2Ba111gydF4y2Ba].微生物具有体积小、重量轻、速度快、活力高等优点[gydF4y2Ba112gydF4y2Ba,gydF4y2Ba113gydF4y2Ba].此外,它们还能表现出磁向性、趋化性和对其他物理化学刺激的反应。微生物机器人主要分为微藻驱动的微生物机器人[gydF4y2Ba114gydF4y2Ba,gydF4y2Ba115gydF4y2Ba]和细菌[gydF4y2Ba116gydF4y2Ba,gydF4y2Ba117gydF4y2Ba,gydF4y2Ba118gydF4y2Ba,gydF4y2Ba119gydF4y2Ba].gydF4y2Ba

关于微藻,Liu et al. [gydF4y2Ba120gydF4y2Ba]开发了一种基于趋光性控制微游泳者的方法。在490 nm发光二极管(LED)光的引导下,可以控制微游动者来回游动,并成功实现了之字形、三角形等任意设置的轨迹运动,对生物医学领域的药物运输具有重要意义。2018年,Sitti等人基于一个负电荷之间的相互作用构建了一个生物机器人gydF4y2Ba衣藻reinhardtiigydF4y2Ba[gydF4y2Ba121gydF4y2Ba]和带正电荷的聚电解质(PE)功能化磁性聚苯乙烯(PS)颗粒,如图所示。gydF4y2Ba4gydF4y2Bac.在26 mT均匀磁场作用下,微游动体的平均速度约为150 μm/s,远远快于大多数其他微游动体[gydF4y2Ba122gydF4y2Ba,gydF4y2Ba123gydF4y2Ba].此外,他们的微生物机器人在生理条件下表现出良好的细胞相容性、稳定的性能和生存能力,并且可以通过相对简单的程序制造。gydF4y2Ba

与微藻相比,细菌驱动机器人的研究和开发更为普遍。例如,Sitti等人。gydF4y2Ba124gydF4y2Ba]通过研究由多个细菌驱动的生物混合微游动系统,首次阐明了附着在同一微观结构上的多个细菌之间看似协同趋化的基本物理机制gydF4y2Ba粘质沙雷氏菌gydF4y2Ba,如图所示。gydF4y2Ba4gydF4y2Bad.结果表明,微游动者的航向偏移是导致趋化漂移的主要因素。在此基础上,他们于2017年开发了一款高性能多功能微型游泳器[gydF4y2Ba125gydF4y2Ba],主打单曲gydF4y2Ba大肠杆菌gydF4y2Ba细胞附着在磁性纳米颗粒嵌入的载药聚电解质多层(PEM)颗粒表面,如图所示。gydF4y2Ba4gydF4y2Bae.在磁场和化学引诱剂的梯度作用下,可以实现偏压和定向运动,化学刺激下的漂移速度(2.0 μm/s)高于以往研究的漂移速度(0.66 μm/s)。gydF4y2Ba

尽管细菌驱动的游泳机器人具有很大的潜力,特别是在生物医学药物运输方面,但其免疫原性和低运动性能仍然是巨大的挑战。Sitti的团队向前迈出了一步,他们开发了一种由两种机器人之间的相互作用形成的机器人gydF4y2Ba大肠杆菌gydF4y2Ba纳米红细胞[gydF4y2Ba126gydF4y2Ba,如图所示。gydF4y2Ba4gydF4y2Baf.该机器人不仅无免疫原性,而且速度性能(14.06±6.71 μm/s)高于其他机器人gydF4y2Ba大肠杆菌gydF4y2Ba,为后续研究提供参考。gydF4y2Ba

其他生物成分gydF4y2Ba

除了常见的哺乳动物肌肉细胞和DV组织外,许多其他生物材料也被研究作为生物机器人的驱动来源,如精子细胞、巨噬细胞、非哺乳动物心肌细胞或肌肉组织gydF4y2Ba果蝇gydF4y2Ba幼虫。例如,Tanaka等人。gydF4y2Ba127gydF4y2Ba]开发了一种由天然蚯蚓肌肉和PDMS微芯片制成的新型微型泵(尺寸为2厘米× 2厘米)(如图2所示)。gydF4y2Ba5gydF4y2Baa).施加电刺激时,肌肉组织产生的最大力为9.33 mN。同时,其流速可达5.0 μL/min,比之前报道的心肌细胞泵提高3-4个数量级,与传统泵相当[gydF4y2Ba128gydF4y2Ba,gydF4y2Ba129gydF4y2Ba,gydF4y2Ba130gydF4y2Ba].Morishima等人使用类似的方法,从ChR2基因工程果蝇幼虫获得的光敏肌肉中开发出微蠕动泵[gydF4y2Ba55gydF4y2Ba,如图所示。gydF4y2Ba5gydF4y2Bab.在蓝光刺激下,能以120 μm/s的速度输送珠子。gydF4y2Ba

图5gydF4y2Ba
figure5gydF4y2Ba

基于其他生物组件的生物机器人示例。gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba由蚯蚓肌肉组织制备的微型泵(已获授权转载参考[gydF4y2Ba127gydF4y2Ba]);gydF4y2BabgydF4y2Ba获得的光反应肌肉gydF4y2Ba果蝇幼虫gydF4y2Ba制成可运送微珠的微型蠕动管(转载须获授权参考。[gydF4y2Ba55gydF4y2Ba]);gydF4y2BacgydF4y2Ba由人工磁性微结构捕获的单个精子细胞组成的精子机器人(经许可复制,参考[gydF4y2Ba131gydF4y2Ba]);gydF4y2BadgydF4y2Ba一种制造巨噬细胞组成的生物机器人的方法(经许可转载,参考[gydF4y2Ba133gydF4y2Ba])gydF4y2Ba

除了从幼虫等动物身上获得的肌肉组织外,精子也是一种因其非凡的运动性能而备受关注的生物材料。Khalil等人[gydF4y2Ba131gydF4y2Ba]研究了由公牛精子细胞和微管组成的精子机器人的水动力效应(如图2所示)。gydF4y2Ba5gydF4y2BaC)在类似于体内环境的非均匀粘性介质中。研究表明,精子机器人的驱动力可以通过缩短微管尺寸和增加磁矩来提高。基于这一结果,他们比较了活性精子细胞和磁性驱动死亡精子细胞的驱动特性[gydF4y2Ba132gydF4y2Ba],这为微游泳者的结构设计提供了一个深入的了解。此外,Park的团队开发了一种巨噬细胞微机器人[gydF4y2Ba133gydF4y2Ba)(如图。gydF4y2Ba5gydF4y2Bad)由氧化铁的吞噬作用(FegydF4y2Ba3.gydF4y2BaOgydF4y2Ba4gydF4y2Ba)纳米颗粒和聚乳酸-羟基乙酸(PLGA)纳米颗粒被多西他赛(DTX)包裹在小鼠来源的巨噬细胞系中。在电磁驱动(EMA)系统的驱动下,机器人可以靶向肿瘤细胞,并显示出靶向治疗的潜力。gydF4y2Ba

生物混合机器人的细胞外材料gydF4y2Ba

生物混合机器人的另一个重要组成部分是基板材料[gydF4y2Ba134gydF4y2Ba,gydF4y2Ba135gydF4y2Ba,gydF4y2Ba136gydF4y2Ba,gydF4y2Ba137gydF4y2Ba].由于底物为细胞生长提供了结构支持和环境,因此它需要具有理想的灵活性和生物相容性。细胞要么附着在基底材料上,要么嵌入在基底材料中。根据材料的性质,常用的基底材料可分为三种:生物惰性聚合物[gydF4y2Ba52gydF4y2Ba,gydF4y2Ba138gydF4y2Ba,gydF4y2Ba139gydF4y2Ba,gydF4y2Ba140gydF4y2Ba]、水凝胶(包括生物活性水凝胶[gydF4y2Ba134gydF4y2Ba,gydF4y2Ba135gydF4y2Ba,gydF4y2Ba141gydF4y2Ba,gydF4y2Ba142gydF4y2Ba,gydF4y2Ba143gydF4y2Ba,gydF4y2Ba144gydF4y2Ba]和人造水凝胶[gydF4y2Ba145gydF4y2Ba,gydF4y2Ba146gydF4y2Ba],以及组织采集的生物材料(如脱细胞细胞外基质)[gydF4y2Ba17gydF4y2Ba,gydF4y2Ba147gydF4y2Ba,gydF4y2Ba148gydF4y2Ba,gydF4y2Ba149gydF4y2Ba],如表格所示gydF4y2Ba2gydF4y2Ba而且gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba.在本节中,我们将介绍基于这三种基板材料的生物混合机器人的最新进展。gydF4y2Ba

表2不同基材的性能比较gydF4y2Ba
表3生物机器人合成材料分类gydF4y2Ba

Bioinert聚合物gydF4y2Ba

生物惰性聚合物中最常用的基材是PDMS弹性体,由于其刚度可调和许多可能的制造方法(如表所示)gydF4y2Ba1gydF4y2Ba).然而,它有有限的生物基序供细胞附着;因此,通过合适的分子来提高其生物活性势在必行[gydF4y2Ba150gydF4y2Ba].PDMS的结构一般采用压铸制造[gydF4y2Ba52gydF4y2Ba,gydF4y2Ba151gydF4y2Ba],表面涂层[gydF4y2Ba76gydF4y2Ba,gydF4y2Ba81gydF4y2Ba]、胶片切割[gydF4y2Ba80gydF4y2Ba,gydF4y2Ba152gydF4y2Ba],以及3D生物打印[gydF4y2Ba139gydF4y2Ba].gydF4y2Ba

Holley等人[gydF4y2Ba76gydF4y2Ba]开发了一种“鳍”驱动的游泳机器人,该机器人由两种复合生物惰性聚合物制成的基底和带有心肌细胞融合层的PDMS悬臂组成,如图所示。gydF4y2Ba6gydF4y2Baa.机器人下潜深度、俯仰、滚转均可保持,无需外界干预。其最大速度和位移分别达到142 μm/s和2.5 mm(驱动器长度4 mm)。通过适当的基板质量密度配置,机器人可以保持较高的稳定性。使用同一类型的材料,Guria等人。gydF4y2Ba153gydF4y2Ba通过将心肌细胞植入涂有纤维蛋白原(FN)的PDMS薄膜上,设计了一种生物驱动的微泵。该泵通过心肌细胞定向收缩/伸展驱动其壁的蠕动运动产生流量。田中等人。[gydF4y2Ba52gydF4y2Ba]将新生大鼠心肌细胞悬浮液倒在PDMS微模具上培养7天。由此得到的心肌组织将PDMS微型桥墩架桥,制成有史以来最小的用于抽水的超微型流体振荡器(200 μm × 200 μm × 150 μm),如图所示。gydF4y2Ba6gydF4y2Bab.心肌细胞自发收缩能输出约14.6 μN的峰值力,模拟的流动模式和速度分布与实验结果吻合较好。gydF4y2Ba

图6gydF4y2Ba
figure6gydF4y2Ba

基于生物惰性聚合物和活性水凝胶的生物机器人示例。gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba基于心肌细胞和PDMS的游泳机器人(转载须授权参考[gydF4y2Ba76gydF4y2Ba]);gydF4y2BabgydF4y2Ba通过将PDMS微型桥墩与心肌组织桥接而制成的用于抽水的实际超微型流体振荡器(转载须授权参考[gydF4y2Ba52gydF4y2Ba]);gydF4y2BacgydF4y2Ba通过在SBS微槽膜上培养C2C12骨骼肌细胞形成的生物杂交装置(转载须授权参考[gydF4y2Ba57gydF4y2Ba]);gydF4y2BadgydF4y2Ba心肌细胞被添加到由纤维蛋白原组成的微图中进行生长和分化以形成肌肉,并通过灵活的支撑和转换系统形成游泳机器人(转载须授权参考。[gydF4y2Ba54gydF4y2Ba]);gydF4y2BaegydF4y2Ba由在GelMA水凝胶中培养的心肌细胞组成的生物驱动器(经许可复制,参考[gydF4y2Ba75gydF4y2Ba]);gydF4y2BafgydF4y2Ba一种由GelMA水凝胶和碳纳米管修饰的形态蝴蝶翅膀开发的细胞机械视觉生物传感器(转载须授权参考[gydF4y2Ba74gydF4y2Ba])gydF4y2Ba

与PDMS弹性体相反,Fujie等人。[gydF4y2Ba57gydF4y2Ba]将C2C12骨骼肌细胞培养在苯乙烯-块-丁二烯-块-苯乙烯(SBS)微槽膜上。细胞分化并发育成肌肉组织,从而形成了带有膜的生物混合驱动器(如图。gydF4y2Ba6gydF4y2Bac).优化薄膜厚度为2.5 μm,杨氏模量为55.2 MPa,通过肌管收缩提供最大输出。在1hz (40 V, 20ms脉宽)电刺激作用下,薄膜(10 μm × 3 μm × 2.5 μm)的最大位移为276±55 μm。所得结果与有限元模拟结果渐近相容。本研究为预测弹性薄膜的收缩性能奠定了基础,特别强调了微槽SBS薄膜作为生物混合机器的超柔性平台的潜力。gydF4y2Ba

水凝胶gydF4y2Ba

除了生物惰性聚合物外,生物相容性水凝胶通常被用作生物机器人的基础材料。基于水凝胶的生物3D打印技术的快速发展极大地简化了生物模型研究的设计和制造过程。此外,可以通过控制聚合物和交联剂的分子结构来调整机械性能,以重现天然组织的结构[gydF4y2Ba154gydF4y2Ba,gydF4y2Ba155gydF4y2Ba,gydF4y2Ba156gydF4y2Ba].水凝胶的微观结构允许营养物质和气体的交换,这对细胞的生存、增殖和分化至关重要[gydF4y2Ba157gydF4y2Ba];因此,由于水凝胶相对于生物惰性聚合物的优势,其在生物机器人领域的应用一直是研究的热点。用于生物机器人的水凝胶主要是生物源生物活性水凝胶和人工生物相容性水凝胶。gydF4y2Ba

生物活性水凝胶gydF4y2Ba

生物活性水凝胶,如纤维蛋白原和明胶衍生物,通常来源于生物有机体(动物或植物),因此可以提供天然细胞外基质的许多生物学特性,但可用性显著提高,因此它们已广泛用于生物机器人的制造。Shi等。[gydF4y2Ba54gydF4y2Ba]将心肌细胞加入微图纹纤维蛋白原片上分化形成肌肉组织,结合柔性支架和转换系统制成游泳机器人,如图所示。gydF4y2Ba6gydF4y2Bad.通过红外光刺激,机器人可以在几秒钟内在膨胀和收缩状态之间转换。与此同时,由于机器人系统有目的地缓解了电解等缺陷,它可以存活长达3周,这是迄今为止所有与哺乳动物细胞杂交的驱动器中最长的寿命。赵等人。[gydF4y2Ba75gydF4y2Ba]将心肌细胞培养在GelMA水凝胶和各向异性反转的卵形大孔蛋白石基质上,形成了一种新的生物驱动因子,如图所示。gydF4y2Ba6gydF4y2Bae.水凝胶的各向异性表面形态诱导了种子心肌细胞的高度定向有序布局,增强了肌肉在弹性基质上的自发搏动能力。驾驶员可通过周期性收缩产生颜色变化,并实现视觉反馈功能,可实时观察驾驶员工作状态。gydF4y2Ba

为了进一步增强肌肉的驱动力,有人尝试将碳纳米管与水凝胶结合,以提高导电性。单向播种碳纳米管可以有效诱导心肌细胞定向排列,进而提高心肌细胞向特定方向的驱动力[gydF4y2Ba53gydF4y2Ba,gydF4y2Ba158gydF4y2Ba].2019年,Zhao等人开发了一种细胞机械视觉生物传感器[gydF4y2Ba74gydF4y2Ba通过将GelMA包裹的心肌细胞与碳纳米管包裹的形态蝴蝶翅膀相结合(如图2所示)。gydF4y2Ba6gydF4y2Baf).心肌细胞周期性的自我收缩和伸展导致弹性蝴蝶翅膀矩阵的变形循环,由于翅膀微观结构上设计了光子带隙,这与视觉上同步可观察到的颜色变化有关。gydF4y2Ba

人造水凝胶gydF4y2Ba

与天然衍生的生物活性水凝胶相比,人工水凝胶具有更好的批次性能一致性和相对较低的成本。然而,它们天生缺乏细胞附着特性,因此要么用生物活性基序修饰,要么用作生物惰性载体。人工水凝胶的例子包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEG)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)等。Lahann等人[gydF4y2Ba159gydF4y2Ba]设计了一个微圆柱体,并选择性地在其一侧涂上生物活性FN,用于新生大鼠心肌细胞附着,另一侧涂上生物惰性PEG,以避免细胞粘附(如图所示)。gydF4y2Ba7gydF4y2Baa).心肌细胞因此在圆柱体的一侧异质生长,并沿微柱表现出明显的弯曲效应。心肌细胞收缩产生的力为191 μN,这是相同尺度(直径20 μm,长78.5 μm)传统驱动器无法达到的。金等人。[gydF4y2Ba92gydF4y2Ba]将C2C12骨骼肌细胞培养在多壁碳纳米管(MWCNT)功能化的PEDOT表面(见图。gydF4y2Ba7gydF4y2BaB)培养7天后,骨骼肌细胞成功分化为肌小管。由于碳纳米管的诱导,骨骼肌组织沿与碳纳米管平行的方向定向生长。通过对带状驱动器施加周期性电压,蠕虫机器人(长60mm,宽10mm)可以有节奏地收缩和放松。此外,通过设定施加电压的周期,其最大收缩长度可在0.2 - 0.7 mm之间调节。同年,王等。[gydF4y2Ba160gydF4y2Ba]提出了一种压电纳米生物发电机,由心肌细胞嵌入纤维蛋白原修饰的聚偏氟乙烯(PVDF-FN)水凝胶中来驱动纳米纤维(如图所示)。gydF4y2Ba7gydF4y2Bac).在1.1 Hz自发跳动的情况下,产生的平均电压为200 mV,电流为45 nA。他们的模型为生物能量转换和自行式机器人的设计奠定了基础,并具有在生物力学能量收集和人体运动监测中的应用潜力。gydF4y2Ba

图7gydF4y2Ba
figure7gydF4y2Ba

基于人工水凝胶和脱细胞细胞外基质的生物机器人实例。gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba心肌细胞在微结构的非聚乙二醇化一侧播种收缩的微柱(经许可复制,参考文献[gydF4y2Ba159gydF4y2Ba]);gydF4y2BabgydF4y2BaPEDOT/MWCNT薄片与骨骼肌细胞培养,并进行爬行运动(转载须授权参考[gydF4y2Ba92gydF4y2Ba]);gydF4y2BacgydF4y2Ba由附着于PVDF-FN水凝胶的心肌细胞驱动的生物发电机(转载须授权参考[gydF4y2Ba160gydF4y2Ba]gydF4y2Ba)gydF4y2Ba;gydF4y2BadgydF4y2Ba一种将心肌细胞接种到由ELAC制成的支架上的微型装置(经许可转载,参考[gydF4y2Ba170gydF4y2Ba]);gydF4y2BaegydF4y2Ba骨骼肌细胞被植入由Matrigel、凝血酶和纤维蛋白原组成的模型中,形成肌肉组织(经许可复制,参考文献[gydF4y2Ba56gydF4y2Ba]);gydF4y2BafgydF4y2Ba由成肌细胞和基质纤维蛋白原组织培养形成的肌肉与大鼠腰椎脊髓的完整节段共培养形成生物机器人(经许可复制,参考[gydF4y2Ba58gydF4y2Ba])gydF4y2Ba

组织生物材料gydF4y2Ba

与生物机器人最相关的生物材料是组织采集的生物材料(如脱细胞的细胞外基质或类似的商业产品),因为它们非常类似于活组织的组成。尽管它们的成本高且可用性低,但许多研究都试图将这些高活性材料用于生物机器人的制造。韦伯斯特等人[gydF4y2Ba170gydF4y2Ba]将鸡胚分离的原代心肌细胞接种到由电化学压实和排列的胶原蛋白(ELAC)组成的支架中,如图所示。gydF4y2Ba7gydF4y2Bad.微图案的基质促进细胞粘附,诱导细胞排列。在电刺激作用下,心肌细胞驱动h型支架的最大速度可达34 μm/min。类似地,Bashir等人。[gydF4y2Ba56gydF4y2Ba]用骨骼肌细胞包埋基质凝胶、凝血酶和纤维蛋白原复合材料铸型培养肌肉组织。其中,开发了一个平台,将开发的生物机器人的计算建模与经验验证联系起来。该平台不仅解决了由于营养扩散有限造成的厚度负担(导致厚度扩展到1.3 cm),而且还指导了自主混合骨骼肌生物机器人力输出的优化(如图所示)。gydF4y2Ba7gydF4y2Bae) 200 μN ~ 1.2 mN。通过该平台,可以实现设计的虚拟预测和验证,提高了此类生物混合系统的正向工程效率。基于之前的研究,吉列等人。gydF4y2Ba58gydF4y2Ba]用基质胶和纤维蛋白原培养成肌细胞形成肌肉组织。形成的组织与大鼠腰椎脊髓的完整节段共培养,形成脊椎机器人(如图所示)。gydF4y2Ba7gydF4y2Baf).该研究展示了首个全功能3D神经肌肉连接的工程设计,该连接不仅能响应谷氨酸信号,还能经受神经刺激导致肌肉收缩。gydF4y2Ba

综上所述,底物材料的选择或组合取决于所设计的生物机器人的目的。衬底材料及其宏观和微观几何设计可以共同影响生物机器人的驱动力和功率密度,多种材料的组合形成复合多功能材料可能是未来生物机器人的新趋势。gydF4y2Ba

生物混合机器人的结构与控制方法gydF4y2Ba

由于生物材料的快速发展,生物混合机器人在体积小型化和节能方面越来越显示出刚性机器人甚至是软体机器人无法比拟的优势。为了更好地模拟自然界中生物的运动,合成材料通常被设计成具有理想的粘弹性,并被制造成特定的形状,这决定了生物混合机器人的结构。在机器人领域,评价机器人复杂性的指标之一是通过机器人所能实现的独立运动次数(也称为自由度)。每一个独立的运动都可以通过许多方法来控制,比如物理或化学刺激。下一节将介绍生物机器人的自由度和控制方法的最新进展。gydF4y2Ba

生物混合机器人的自由度gydF4y2Ba

一个机构能够独立运动的数量构成了该机构的自由度。需要注意的是,一个独立的运动可以简单到弯曲或扭转,也可以复杂到柔性鳍的正弦运动,判断自由度的关键是评估可以单独控制多少个驱动源。事实上,许多真实的生物可以有超过数百个dof,但在新兴的生物混合机器人领域,这种生物的数量相当有限。下一节将概述这方面的三种生物机器人:单自由度、双自由度和多自由度生物机器人。gydF4y2Ba

Single-DOFgydF4y2Ba

由于生物机器人处于婴儿期,迄今为止开发的大多数生物机器人都具有单自由度。例如,心肌细胞驱动的微泵[gydF4y2BaOne hundred.gydF4y2Ba,gydF4y2Ba161gydF4y2Ba],由加州海兔I2肌肉制成的生物机器人[gydF4y2Ba174gydF4y2Ba],以及由单个驱动的机器人gydF4y2Ba大肠杆菌gydF4y2Ba[gydF4y2Ba175gydF4y2Ba]都是单自由度结构。Dokmeci等人[gydF4y2Ba164gydF4y2Ba]通过自下而上的方法,创造性地设计了由PEG水凝胶、碳纳米管阵列、CNT-GelMA和心肌组织组成的四层结构生物驱动器。由于驱动结构形成的肌肉是一体的,可以实现自发收缩,充当单个驱动。另外,生物驱动器可以通过集成导电碳纳米管微电极阵列的外部电场来控制。Khademhosseini等人使用了类似的方法。[gydF4y2Ba165gydF4y2Ba使用多层骨架作为鱼状机器人的结构。心肌细胞被添加到由PEG、Au微电极和CNT-GelMA水凝胶组成的骨架中(如图所示)。gydF4y2Ba8gydF4y2Baa).心肌细胞分化而来的肌肉可以提供同一方向的自激运动,带动骨骼整体做出类似中风的运动。gydF4y2Ba

图8gydF4y2Ba
figure8gydF4y2Ba

基于结构的生物机器人示例。gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba四层结构的单自由度仿生鱼(已获授权转载参考[gydF4y2Ba165gydF4y2Ba]);gydF4y2BabgydF4y2Ba由肌环的偏心放置和软管与刚性管之间的连接形成单自由度流动的生物装置(转载须获许可,参考[gydF4y2Ba17gydF4y2Ba]);gydF4y2BacgydF4y2Ba单自由度微生物机器人由单个驱动gydF4y2Ba大肠杆菌gydF4y2Ba(转载须获许可,参考[gydF4y2Ba173gydF4y2Ba]);gydF4y2BadgydF4y2Ba四足梁式机器人,可由单个肌肉环和半肌肉环分别控制(转载须授权,参考。[gydF4y2Ba45gydF4y2Ba]);gydF4y2BaegydF4y2Ba由一对拮抗骨骼肌组织成分双向驱动的生物装置(经许可转载,参考[gydF4y2Ba147gydF4y2Ba]);gydF4y2BafgydF4y2Ba可在光刺激下实现多个自由度运动的多自由度双足光束机器人的结构(转载须授权参考。[gydF4y2Ba169gydF4y2Ba])gydF4y2Ba

除了心肌细胞驱动的生物机器人外,还构建了C2C12骨骼肌、DV组织和微生物驱动的单自由度生物机器人。赛义夫等人[gydF4y2Ba17gydF4y2Ba]将C2C12骨骼肌细胞培养在PDMS模具上形成肌环,将肌环置于水凝胶管上形成泵机器人,如图所示。gydF4y2Ba8gydF4y2Bab.在本设计中,在电刺激下,肌肉环整体收缩。通过肌环的偏心放置和软管与刚性管的连接,可以实现泵的单向净流量。Morishima等人设计的自主游泳机器人[gydF4y2Ba62gydF4y2Ba]由DV组织组织的整体自主脉冲驱动。Sitti等人。[gydF4y2Ba173gydF4y2Ba* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *gydF4y2Ba大肠杆菌gydF4y2Ba,如图所示。gydF4y2Ba8gydF4y2Bac.虽然只有一个驱动源,但它实现了多种功能,如通道内大变形、挤压通过后保留、磁性机动性等。gydF4y2Ba

Double-DOFgydF4y2Ba

现有文献对双自由度的研究主要集中在肌肉驱动上。如前所述,Bahir团队开发的四足机器人[gydF4y2Ba45gydF4y2Ba如图所示。gydF4y2Ba8gydF4y2Bad.在460 nm光的条件下,分别刺激单肌环和半肌环,可以实现双向和转向运动。Takeuchi等。[gydF4y2Ba147gydF4y2Ba]研制了一对拮抗骨骼肌组织驱动的双自由度生物握把,如图所示。gydF4y2Ba8gydF4y2Bae.骨骼肌组织在柔性基底的两侧培养,通过电刺激拮抗对齐的肌肉组织的相应一侧,可以实现不同的运动。当两个骨骼肌组织大小相同时,手柄可以对称地向两侧弯曲。如果尺寸不同,则可以实现一个方向的大角度弯曲。gydF4y2Ba

Multi-DOFgydF4y2Ba

自然界中的真实生物有多个自由度;生物机器人的发展趋势是实现真实生物的多自由度运动。然而,挑战是重大的,迄今为止只有少数发表的多自由度生物机器人的作品。浅田等人[gydF4y2Ba169gydF4y2Ba]开发了一个多自由度的双足机器人,由C2C12细胞形成的肌肉驱动,C2C12细胞经过基因改造后具有光敏性,如图所示。gydF4y2Ba8gydF4y2Baf.利用光刺激,可以对生物机器人的某一部分进行局部刺激,从而实现平移和扭转等多个自由度的运动。光刺激具有精确的时空控制,可作为复杂移动机器人后续研究的参考。从那时起,蝙蝠鱼机器人[gydF4y2Ba81gydF4y2Ba],如前所述,被设计为一个多自由度机器人(图。gydF4y2Ba2gydF4y2Bac).该机器人的肌肉组织可以单独控制,通过局部刺激和移动光点位置,可以像真鱼一样游泳。gydF4y2Ba

目前在生物机器人的相关研究中,单自由度生物机器人仍占大多数,如图所示。gydF4y2Ba9gydF4y2Ba.与此同时,新型多自由度生物机器人正吸引着越来越多的兴趣,许多驱动/控制机制已被证明是通用的。gydF4y2Ba

图9gydF4y2Ba
figure9gydF4y2Ba

最近关于不同自由度生物机器人的大量文献,包括单自由度、双自由度和多自由度生物机器人gydF4y2Ba

生物机器人的刺激gydF4y2Ba

生物机器人的可控性对于它们执行理想任务的能力非常重要。大多数生物细胞/生物体可以对化学、电和其他刺激做出反应,这些刺激可用于驱动生物机器人实现不同形式的运动,如游泳[gydF4y2Ba95gydF4y2Ba,gydF4y2Ba123gydF4y2Ba,gydF4y2Ba124gydF4y2Ba],步行[gydF4y2Ba51gydF4y2Ba,gydF4y2Ba53gydF4y2Ba,gydF4y2Ba171gydF4y2Ba],和抓取[gydF4y2Ba85gydF4y2Ba,gydF4y2Ba86gydF4y2Ba,gydF4y2Ba105gydF4y2Ba].此外,在培养过程中对肌肉组织进行电刺激和机械拉伸,可以训练肌肉,促进肌肉组织的排列和分化,从而增加驱动力[gydF4y2Ba176gydF4y2Ba,gydF4y2Ba177gydF4y2Ba,gydF4y2Ba178gydF4y2Ba,gydF4y2Ba179gydF4y2Ba,gydF4y2Ba180gydF4y2Ba,gydF4y2Ba181gydF4y2Ba].现有的控制方法大致可分为物理刺激和化学刺激两种。gydF4y2Ba

物理刺激gydF4y2Ba

生物机器人的主要控制方法是物理刺激,包括电刺激、光刺激、温度刺激、磁刺激等,其中最常用的是电刺激。众所周知,体内肌肉的收缩和松弛,特别是骨骼肌的收缩和松弛,是由生物电信号的传输触发的。以类似的方式,外部电刺激可以有效地控制生物机器人。刘等。[gydF4y2Ba171gydF4y2Ba]提出了一种圆形分布式多电极(CEs)方法,基于该方法,肌管驱动爬行机器人(如图2所示)gydF4y2Ba10gydF4y2BaA)被开发了。实验证明,CEs方法可以提高C2C12细胞的分化能力,控制基于肌管的生物合成爬行机器人的移动速度,为生物合成机器人的开发和控制提供了一种潜在的工具。基于类似的类似控制方法,Bashir等人。gydF4y2Ba172gydF4y2Ba]将导电石墨烯层与骨骼肌组织的3D工程环集成在一起。电刺激时,环的平均位移为3.9±1.0 μm(环尺寸为6mm × 2mm × 2mm)。在这个模型中,石墨烯促进肌肉分化,并作为生物相容性的3D电极。gydF4y2Ba

图10gydF4y2Ba
图10gydF4y2Ba

基于不同刺激类型的生物机器人示例。gydF4y2Ba一个gydF4y2BaCEs法对爬行机器人的电刺激(转载须授权参考[gydF4y2Ba171gydF4y2Ba]);gydF4y2BabgydF4y2Ba一种可在光学引导下依靠鳍的波动向前游动的仿生鱼(经许可转载,参考文献[gydF4y2Ba81gydF4y2Ba]);gydF4y2BacgydF4y2Ba包含微生物的光学引导三维装置(转载须获许可,参考[gydF4y2Ba182gydF4y2Ba]);gydF4y2BadgydF4y2Ba微管的收缩和伸展是通过温度控制的精子机器人来实现的(转载须授权参考。[gydF4y2Ba183gydF4y2Ba]);gydF4y2BaegydF4y2Ba甲壳纲心脏活性肽(CCAP)引导DV组织收缩,实现微镊子的控制(转载须授权参考[gydF4y2Ba184gydF4y2Ba]);gydF4y2BafgydF4y2Ba集成到微流控芯片中的生物混合水凝胶通过化学诱导剂弯曲并导致颜色变化(转载须授权参考。[gydF4y2Ba167gydF4y2Ba]);gydF4y2BaggydF4y2Ba使用三种不同的pH溶解度通道来测试微机器人的pH诱导特性(转载须授权参考[gydF4y2Ba185gydF4y2Ba])gydF4y2Ba

虽然电刺激是一种广泛使用的控制形式,但它也有一定的缺点。例如,它可能会加剧介质的电解,产生不利于细胞生存的物质。因此,非侵入性、非接触式光学控制也成为研究的重点。光学操作具有高时间分辨率,允许对生物机器人的指定部分进行精确的局部控制。通过光敏蛋白的感染,肌肉细胞被改造成光反应性的,从而产生生物修饰的光引导肌肉。例如,Park等人。gydF4y2Ba81gydF4y2Ba他开发了一种具有细胞工程心肌细胞的类黄貂鱼生物机器人,以实现光学可控性。通过将心肌细胞选择性地排列在黄貂鱼柔性鳍上,可以通过光学引导鳍的指定部分进行定时和有模式的扑动,从而实现生物机器人的向前游动,如图所示。gydF4y2Ba10gydF4y2Bab.除了肌肉驱动,微生物也可以被光学引导。莱昂纳多等人。[gydF4y2Ba182gydF4y2Ba开发了一种快速、安静的微型马达gydF4y2Ba大肠杆菌gydF4y2Ba表达变形菌紫质和三维微支架,如图所示。gydF4y2Ba10gydF4y2Bac.该结构可以捕获微腔阵列中的细菌,并使其运动产生的扭矩最大化。在光刺激和反馈回路的作用下,可以动态控制微电机的转速,也可以实现多个微电机的同步。gydF4y2Ba

电刺激和光引导是肌肉组织驱动生物机器人常用的控制方法。然而,微生物、精子和其他生物机器人对磁场、温度和其他刺激更敏感。桑切斯等人[gydF4y2Ba175gydF4y2Ba)附gydF4y2Ba大肠杆菌gydF4y2Ba到2 μm大Janus粒子(Pt/PS),形成简单的生物微游动体,在磁场的引导下实现定向运动。利用温度响应,Schmidt等[gydF4y2Ba183gydF4y2Ba控制一个被微管捕获的精子机器人。当温度降至30℃以下时,微管收缩并捕获精子,形成可以定向游动的精子聚集机器人。当温度上升到38℃以上时,微管展开并释放精子,如图所示。gydF4y2Ba10gydF4y2Bad。gydF4y2Ba

化学刺激gydF4y2Ba

化学刺激由于电损伤或生物改造较小,具有物理刺激的优势。虽然它的时间分辨率相对较低,但当不需要精确控制时,它可能是首选。基于他们之前的研究,Morishima等人。gydF4y2Ba184gydF4y2Ba]设计了一个由DV组织通过化学刺激驱动的生物机器人(如图2所示)。gydF4y2Ba10gydF4y2Bae).当甲壳类心脏活性肽(CCAP)受到刺激时,收缩频率立即增加到最大值。此外,所有测试浓度的CCAP在1 min内产生最大的收缩频率响应,而不考虑收缩力的显著变化。赵等人。[gydF4y2Ba167gydF4y2Ba]提出了心肌细胞驱动的集成微流控平台,如图所示。gydF4y2Ba10gydF4y2Baf.向微流控平台中注入不同浓度的异丙肾上腺素,可切换颜色的水凝胶结构也会发生相应的变化。调节异丙肾上腺素的浓度会影响平台的脱色,同时调节心肌细胞的跳动频率。除了使用化学引诱剂外,pH调节也可用。Sitti等人。[gydF4y2Ba185gydF4y2Ba[附加的多重gydF4y2Ba美国marcescensgydF4y2Ba将细胞植入直径为3 μm的聚苯乙烯球中,制成微型游泳机器人,实现了机器人的pH梯度依赖运动(如图2所示)。gydF4y2Ba10gydF4y2Bag).本研究提出了一种通过pH值和趋化性控制生物机器人的可能方法,并为后续研究提供了新的途径。gydF4y2Ba

生物混合机器人的潜在应用和挑战gydF4y2Ba

基于生物材料的生物混合机器人作为克服目前可用的人工驱动技术缺陷的可能解决方案显得非常有前途。未来的生物混合机器人可能集成多种细胞和组织类型,包括用于传感和处理信息的神经网络,以及用于运输营养物质、氧气和其他生化因子的血管网络[gydF4y2Ba91gydF4y2Ba].这些类型的生物混合机器人将传感器、驱动器、执行器和控制系统封装在一个单元中,不仅具有比传统刚性机器人优越的可控性和输出力,而且具有自组装、自修复、多自由度、智能传感和高效能量转换等有趣的功能。这些机器人的行为与自然界中的真实生物高度相似,在力学、计算、生物医学工程和许多其他领域都有许多潜在的应用。gydF4y2Ba

在生物医学领域的潜在应用gydF4y2Ba

首先,由于其小型化、高生物相容性和生物降解性,生物机器人非常适合进入循环系统进行疾病监测和诊断。在完成任务后,生物机器人可以安全地自我溶解或自我降解。其次,生物混合机器人的可控性使它们成为定向药物输送的理想选择,这对肿瘤治疗特别有用。目前大多数化疗治疗在破坏肿瘤的同时会损害正常细胞,对患者产生相当大的副作用。同时,靶向治疗中的药物输送可通过微生物驱动的生物混合机器人实现[gydF4y2Ba122gydF4y2Ba,gydF4y2Ba125gydF4y2Ba,gydF4y2Ba173gydF4y2Ba],它可以有效地装载药物,并由周围的生物液体提供动力。此外,集成微芯片系统(或称为“芯片上的实验室”)可以用作药物开发和毒性测试的平台。近年来,人们尝试将肌肉驱动的生物集成器件引入微流控芯片中,如赵等人在2018年和2020年设计的微流控芯片[gydF4y2Ba53gydF4y2Ba,gydF4y2Ba75gydF4y2Ba].该装置显示心肌细胞的跳动频率与异丙肾上腺素的添加呈正相关。结果,异丙肾上腺素对人类心脏的影响也得到了证实。同时,该平台也适用于测试其他药物,未来甚至可能取代动物试验。gydF4y2Ba

机械领域的潜在应用gydF4y2Ba

如今,许多机器人仍然由传统驱动器驱动。然而,生物混合驱动的机器人可以产生相同的驱动力,同时实现更低的质量和更高的效率。肌肉细胞唾手可得,价格便宜,而且可以自我增殖,因此机械产品的成本可以大大降低。此外,生物混合机器人的能源来源来自葡萄糖和三磷酸腺苷(ATP)等绿色能源,这可能极大地有助于减少污染。最后,未来由肌肉驱动的机械产品可能具有与其来源生物相同的自我修复能力,从而显著提高抗损伤能力和延长寿命。gydF4y2Ba

除了上述领域,肌肉驱动生物机器人的未来应用可能包括地震救援探索、战场侦察,甚至应用于日常车辆。gydF4y2Ba

尽管如此,目前的生物驱动仍然面临许多挑战:gydF4y2Ba

  1. 1.gydF4y2Ba

    相关的伦理问题仍然存在,例如从哺乳动物中提取原代细胞或直接从活的幼虫和其他动物中提取肌肉组织。解决这个问题的一个可能的方法是诱导多功能干细胞的分化[gydF4y2Ba59gydF4y2Ba].然而,这种方法有缺点,例如相对于自然的对抗性有限,以及获得大量这种细胞的昂贵和繁琐的程序。这些缺陷可能会在组织工程的进一步研究中被成功解决。gydF4y2Ba

  2. 2.gydF4y2Ba

    缺乏对外部环境的智能感知,无法进行自适应控制。目前,生物机器人的研究主要集中在驱动方面,而智能感知和智能控制功能的研究较少。因此,未来的生物机器人可能会集成智能传感功能,机器人通过感知外部传感器信号并将其传递给控制系统,形成闭环反馈,从而驱动执行器并实现相应的运动。还可以注意使用基因工程或生物集成等工具来探索生物材料的新功能。gydF4y2Ba

  3. 3.gydF4y2Ba

    生物材料的营养转运与环境调控。哺乳动物细胞是生物机器人最常用的细胞类型,需要特定的培养条件(例如培养基成分、温度、pH值)才能存活,而营养物质/废物和OgydF4y2Ba2gydF4y2Ba/公司gydF4y2Ba2gydF4y2Ba必须定期交换。离体肌肉组织以血管为支撑,是进行营养和气体交换的理想手段。尽管如此,一些开创性的工作已经成功实现了与环境空气兼容的生物机器人运动,但对这些生物机器人的结构、寿命和运动模式的研究仍处于起步阶段。未来可以结合新兴的机械、化学或材料替代品和组织工程技术,开发适合各种环境条件的生物机器人。gydF4y2Ba

  4. 4.gydF4y2Ba

    生物机器人有限的寿命。现有的哺乳动物驱动的生物机器人寿命很短,通常在几天到两周之内。造成这种限制的原因有很多,比如培养过程中骨骼肌组织自发收缩导致机器人性能下降,固定的结构限制了肌肉损伤的自我修复,以及与体内条件不同的环境。生物机器人的寿命延长可能表现为生产成本较低,从而使它们在经济上比传统机器人更具竞争力。展望未来,更多的研究可能会集中在延长多细胞生物机器人的寿命和理解相应的潜在机制上。gydF4y2Ba

  5. 5.gydF4y2Ba

    目前,大多数生物机器人功能简单,自由度有限,功能单一,如游泳、抓取或收缩/拉伸生物机器人,只能作为一个整体进行控制。研究可以用于开发能够集成多种功能并在不断变化的环境中实现多自由度运动的生物机器人。这一挑战可以通过细胞的共培养或生物机器人肌肉组织的特定部分的独立控制来克服。gydF4y2Ba

总结和展望gydF4y2Ba

生物机器人的快速发展带来了充满兴奋和挑战的新可能性。与传统的刚性驱动器和软材料驱动器相比,生物驱动器具有能源效率、可靠性和微型功率密度的优点。本文综述了生物机器人的动力来源、支撑材料和结构及其控制方法,并对生物机器人领域的最新进展进行了阐述。生物机器人被认为具有巨大的潜在价值和许多未来的应用。然而,在伦理、智能、营养运输、寿命和生物机器人的复杂性方面存在挑战。gydF4y2Ba

生物机器人涉及机械、材料科学、化学、物理、生物学、控制科学等学科的交叉融合。这些领域的进步也可以积极支持生物机器人的发展。目前,生物机器人离预想的目标还很遥远,一些重大挑战不能仅靠生物技术或制造技术提供的解决方案来解决,而是需要所有相关研究领域的共同努力。尽管有许多挑战需要克服,但目前的生物机器人也取得了令人兴奋的进展,并为进一步的研究和应用奠定了基础。gydF4y2Ba

目前,生物机器人的研究主要集中在生物医学领域,但生物驱动程序有趣的驾驶性能将在其他各个领域得到广泛的应用。作者希望这篇综述可以为研究人员提供一些启发,并积极扩大生物机器人在许多潜在相关领域的实际应用范围。gydF4y2Ba

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    Kim SH, Kim DY, Lim TH等(2020)用于数字光处理(DLP) 3D生物打印的丝素生物墨水。Adv Exp医学生物学1249:53-66。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1007/978-981-15-3258-0_4gydF4y2Ba

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  36. 36.gydF4y2Ba

    Jeon O, Bin Lee Y, Hinton TJ等(2019)冷冻保存细胞负载藻酸盐微凝胶生物墨水用于活组织的3D生物打印。今日脱线化学12:61-70。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1016/j.mtchem.2018.11.009gydF4y2Ba

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    蒋涛,Munguia-Lopez JG, Flores-Torres S等(2019)软材料的挤出生物打印:一种新兴的生物模型制造技术。应用物理版本6(1):011310。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1063/1.5059393gydF4y2Ba

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    段春明,任海星,高松(2010)胰岛素样生长因子(IGF)、IGF受体和IGF结合蛋白在骨骼肌生长分化中的作用。内分泌杂志167(3):344-351。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1016/j.ygcen.2010.04.009gydF4y2Ba

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    Vunjak-Novakovic G, Tandon N, Godier A等(2010)心脏组织工程的挑战。组织工程B部Rev 16(2): 169-187。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1089/ten.teb.2009.0352gydF4y2Ba

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    杨GZ, Bellingham J,杜邦PE等(2018)科学机器人的巨大挑战。科学机器人3(14):eaar7650。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1126/scirobotics.aar7650gydF4y2Ba

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    Ceylan H, Giltinan J, Kozielski K等人(2017)生物工程应用的移动微型机器人。实验室芯片17(10):1705-1724。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1039/c7lc00064bgydF4y2Ba

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    Feinberg AW(2015)生物软机器人。In: Yarmush ML (ed)。生物科学年鉴17:243-265。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1146/annurev-bioeng-071114-040632gydF4y2Ba

  43. 43.gydF4y2Ba

    李志强,李志强,李志强(2017)用于构建生物混合微机器人的聚合物薄膜。生物学报12(2):16。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1088/1748-3190/aa5e5fgydF4y2Ba

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    Shimizu M, Miyasaka K, Miyamoto K等(2013)光门控离子通道驱动的肌肉组织驱动器。Proc CIRP。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1016/j.procir.2013.01.034gydF4y2Ba

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    Raman R, Cvetkovic C, Uzel SG等人(2016)光遗传骨骼肌驱动的自适应生物机器。PNAS 113(13): 3497 - 3502。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1073/pnas.1516139113gydF4y2Ba

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    卡尔森RW, Sitti M(2014)基于生物混合细胞的微系统执行器。小10(19):3831 - 3851。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/smll.201400384gydF4y2Ba

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  47. 47.gydF4y2Ba

    孙丽丽,于YR,陈志勇等(2020)基于活细胞驱动的生物混合机器人。化学Soc Rev 49(12): 4043-4069。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1039/d0cs00120agydF4y2Ba

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  48. 48.gydF4y2Ba

    Chan V, Asada HH, Bashir R(2014)跨多个长度尺度的生物致动剂利用和控制。实验室芯片14(4):653-670。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1039/c3lc50989cgydF4y2Ba

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    Duffy RM, Feinberg AW(2014)软机器人的工程化骨骼肌组织:制造策略,当前应用和未来挑战。电线Nanomed Nanobi 6(2): 178-195。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/wnan.1254gydF4y2Ba

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  50. 50.gydF4y2Ba

    奚俊杰,王俊杰,王俊杰(2005)肌肉驱动的自组装微器件。Nat Mater 4(2): 180-184。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1038/nmat1308gydF4y2Ba

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  51. 51.gydF4y2Ba

    Morimoto Y, Onoe H, Takeuchi S(2020)生物混合机器人,骨骼肌组织覆盖着胶原蛋白结构,可在空气中移动。APL生物工程4(2):026101。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1063/1.5127204gydF4y2Ba

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  52. 52.gydF4y2Ba

    田中,山下田,Yalikun Y等(2019)一种由弹性微桥柱上搏动心肌细胞自组织三维桥接驱动的超小型流体振动单元。Sens执行器B Chem 293:256-264。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1016/j.snb.2019.04.087gydF4y2Ba

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  53. 53.gydF4y2Ba

    孙丽丽,陈志智,边飞等(2020)基于心肌细胞驱动的仿生机器人毛虫。电子学报30(6):8。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/adfm.201907820gydF4y2Ba

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  54. 54.gydF4y2Ba

    徐伯泽,韩晓明,胡耀文等(2019)基于工程心脏组织构造的远程可变形软机器人。小15(18):10。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/smll.201900006gydF4y2Ba

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  55. 55.gydF4y2Ba

    Yamatsuta E, Beh SP, Uesugi K等人(2019)使用光学可控生物致动器的微蠕动泵。工程5(3):580 - 585。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1016/j.eng.2018.11.033gydF4y2Ba

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  56. 56.gydF4y2Ba

    Pagan-Diaz GJ, Zhang X, Grant L等(2018)模拟和制造更强,更大,更快行走的生物混合机器。自动控制系统28(23):1801145。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/adfm.201801145gydF4y2Ba

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  57. 57.gydF4y2Ba

    Hasebe A, Suematsu Y, Takeoka S等人(2019)基于骨骼肌驱动的微槽超薄膜的生物混合驱动器,由聚(苯乙烯-块-丁二烯-块-苯乙烯)组成。美国生物工程学报(自然科学版)5(4):344 - 344。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.8b01550gydF4y2Ba

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  58. 58.gydF4y2Ba

    Kaufman CD, Liu SC, Cvetkovic C等(2020)工程多细胞脊髓肌肉生物驱动器中功能性神经肌肉连接的出现。APL生物工程4(2):026104。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1063/1.5121440gydF4y2Ba

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  59. 59.gydF4y2Ba

    Tanaka Y, Yanagisawa Y, Kitamori T(2011)生物微泵的流体驱动,由先前冷冻的心肌细胞直接播撒在对角线拉伸的薄膜上。传感器执行器B化学156(1):494-498。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1016/j.snb.2011.04.055gydF4y2Ba

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  60. 60.gydF4y2Ba

    Uesugi K, Sakuma Y, Akiyama Y等人(2019)昆虫细胞片的温度响应培养表面,用于制造生物驱动器。机器人机器人33(5):219-231。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1080/01691864.2019.1568908gydF4y2Ba

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  61. 61.gydF4y2Ba

    田山,田野等(2009)利用昆虫背血管微胶囊化生物致动器。在:Ann MHS微纳米全球COE,微纳米机电与人类科学国际研讨会,pp 644-649。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1109/MHS.2009.5351970gydF4y2Ba

  62. 62.gydF4y2Ba

    Yalikun Y, Uesugi K, Hiroki M等人(2019)昆虫肌肉组织动力游泳机器人。致动器8(2):15。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.3390/act8020030gydF4y2Ba

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  63. 63.gydF4y2Ba

    Akiyama Y, Iwabuchi K, Furukawa Y等(2010)培养鳞翅目背血管组织的电刺激:生物致动器开发的实验。中国生物医学工程学报,21(5):411-415。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1007/s11626-009-9268-4gydF4y2Ba

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  64. 64.gydF4y2Ba

    Hosseinidoust Z, Mostaghaci B, Yasa O等人(2016)生物工程和生物杂交细菌为基础的药物输送系统。Adv药物递送Rev 106:27-44。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1016/j.addr.2016.09.007gydF4y2Ba

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  65. 65.gydF4y2Ba

    李丹,崔赫,赵s等(2015)一种混合驱动的微型机器人,使用电磁场和鞭毛细菌进行肿瘤靶向治疗。生物技术与工程学报,29(4):344 - 344。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/bit.25555gydF4y2Ba

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  66. 66.gydF4y2Ba

    Felfoul O, Mohammadi M, Taherkhani S等人(2016)磁致气动细菌将含药物的纳米脂质体输送到肿瘤缺氧区。纳米技术与应用,21(4):344 - 344。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1038/nnano.2016.137gydF4y2Ba

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  67. 67.gydF4y2Ba

    Uthaman S, Zheng S, Han J等(2016)gydF4y2Ba鼠伤寒沙门氏菌gydF4y2Ba以透明质酸为基础的微珠,具有趋化和生物靶向乳腺癌细胞,增强抗癌治疗。中国医学卫生杂志5(2):288-295。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/adhm.201500556gydF4y2Ba

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  68. 68.gydF4y2Ba

    Di Leonardo R, Angelani L, Dell 'Arciprete D等(2010)细菌棘轮电机。PNAS 107(21): 9541 - 9545。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1073/pnas.0910426107gydF4y2Ba

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  69. 69.gydF4y2Ba

    张超,王文霞,席娜等(2018)生物融合机器人的发展与未来挑战。工程4(4):452 - 463。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1016/j.eng.2018.07.005gydF4y2Ba

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  70. 70.gydF4y2Ba

    Magdanz V, Medina-Sanchez M, Schwarz L等人(2017)精子作为机器人微游泳者的功能组件。Adv Mater 29(24):18。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/adma.201606301gydF4y2Ba

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  71. 71.gydF4y2Ba

    马格丹兹V,桑切斯S,施密特OG(2013)精子鞭毛驱动的微型生物机器人的发展。Adv Mater 25(45): 6581-6588。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/adma.201302544gydF4y2Ba

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  72. 72.gydF4y2Ba

    Kennedy LC, Bear AS, Young JK等(2011)体内T细胞增强了金纳米颗粒向肿瘤的传递。纳米级分辨率莱特6:11。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1186/1556-276x-6-283gydF4y2Ba

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  73. 73.gydF4y2Ba

    宋天杰,梁海军(2013)dna燃料分子机器调节dna功能化金纳米颗粒缔合率的能力。高分子学报31(9):1183-1189。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1007/s10118-013-1319-3gydF4y2Ba

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  74. 74.gydF4y2Ba

    陈志智,傅福峰,余YR等(2019)心肌细胞驱动gydF4y2Ba大闪蝶gydF4y2Ba蝴蝶的翅膀。Adv Mater 31(8):7。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/adma.201805431gydF4y2Ba

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  75. 75.gydF4y2Ba

    尚晓燕,陈志智,傅福飞等(2019)各向异性逆蛋白石中心肌细胞驱动的结构颜色驱动。ACS Nano 13(1): 796-802。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1021/acsnano.8b08230gydF4y2Ba

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  76. 76.gydF4y2Ba

    Holley MT, Nagarajan N, Danielson C等人(2016)基于肌肉的自稳定游泳生物机器人执行器的开发和特性。实验室芯片16(18):3473-3484。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1039/c6lc00681ggydF4y2Ba

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  77. 77.gydF4y2Ba

    尹生,张鑫,詹春等(2005)磁珠运动测量单个心肌细胞收缩力。生物工程学报88(2):1489-1495。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1529/biophysj.104.048157gydF4y2Ba

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  78. 78.gydF4y2Ba

    陈伟,郑俊华,巴贾杰等(2012)水凝胶悬臂梁和执行器的多材料生物制造。实验室芯片12(1):88-98。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1039/c1lc20688egydF4y2Ba

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    Chan V, Park K, Collens MB等(2012)小型行走生物机器的研制。科学报告2:857。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1038/srep00857gydF4y2Ba

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    Nawroth JC, Lee H, Feinberg AW等人(2012)具有仿生推进功能的组织工程水母。中国生物工程学报30(8):792-797。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1038/nbt.2269gydF4y2Ba

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    Park SJ, Gazzola M, Park KS等人(2016)组织工程软机器人射线的光趋向性引导。科学353(6295):158。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1126/science.aaf4292gydF4y2Ba

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    王宏,赵忠,刘燕燕等(2018)微流体电喷雾微胶囊中仿生酶级联反应体系。科学通报4(6):7。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1126/sciadv.aat2816gydF4y2Ba

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    徐玉生,王辉,陈巴等(2019)用于多重生物检测的新兴条形码颗粒。中国科学,27(3):369 - 369。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1007/s40843-018-9330-5gydF4y2Ba

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  84. 84.gydF4y2Ba

    王慧,刘彦英,陈志智等(2020)胶相分离的各向异性结构彩色粒子。科学通报6(2):9。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1126/sciadv.aay1438gydF4y2Ba

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    Kabumoto K, Hoshino T, Akiyama Y等人(2013)在握力工具上组织工程骨骼肌的表面肌电图信号控制的自主运动。组织工程,A 19(15-16): 1695-1703。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1089/ten.tea.2012.0421gydF4y2Ba

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  86. 86.gydF4y2Ba

    Morimoto Y, Onoe H, Takeuchi S(2018)由拮抗骨骼肌组织对驱动的生物混合机器人。科学机器人3(18):eaat4440。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1126/scirobotics.aat4440gydF4y2Ba

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    Ruan JL, Tulloch NL, Razumova MV等(2016)机械应力调节和电刺激促进诱导多能干细胞来源的人心脏组织的收缩性和力成熟。发行量134(20):1557 - 1598。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1161/circulationaha.114.014998gydF4y2Ba

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  88. 88.gydF4y2Ba

    边伟,布尔萨·N(2012)可溶性miniagrin增强工程骨骼肌的收缩功能。中国生物医学工程学报26(2):955-965。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1096/fj.11-187575gydF4y2Ba

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  89. 89.gydF4y2Ba

    边伟,朱海明,Pfeiler TW等(2012)局部组织几何形状决定工程肌肉网络收缩力的产生。组织工程A部18(9-10):957-967。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1089/ten.TEA.2011.0313gydF4y2Ba

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  90. 90.gydF4y2Ba

    Cvetkovic C, Raman R, Chan V等人(2014)由骨骼肌驱动的三维打印生物机器。PNAS 111(28): 10125 - 10130。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1073/pnas.1401577111gydF4y2Ba

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  91. 91.gydF4y2Ba

    Raman R, Cvetkovic C, Bashir R(2017)肌肉动力生物机器的设计、制造和表征的模块化方法。Nat Protoc 12(3): 519-533。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1038/nprot.2016.185gydF4y2Ba

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  92. 92.gydF4y2Ba

    Kim TH, Kwon CH, Lee C等(2016)仿生混合碳纳米管肌肉。科学报告:26687。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1038/srep26687gydF4y2Ba

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  93. 93.gydF4y2Ba

    陈v,尼尔DM,乌泽尔SGM等(2015)光遗传多条带心肌的制备和表征。实验室芯片15(10):2258-2268。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1039/c5lc00222bgydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  94. 94.gydF4y2Ba

    Kamm RD, Bashir R(2014)创造活细胞机器。生物医学工程42(2):445-459。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1007/s10439-013-0902-7gydF4y2Ba

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  95. 95.gydF4y2Ba

    Aydin O, Zhang XT, Nuethong S等(2019)生物混合运动机器人的神经肌肉驱动。PNAS 116(40): 19841 - 19847。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1073/pnas.1907051116gydF4y2Ba

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  96. 96.gydF4y2Ba

    Aydin O, Passaro AP, Elhebeary M等人(2020)3D神经肌肉生物执行器的开发。APL生物工程4(1):016107。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1063/1.5134477gydF4y2Ba

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  97. 97.gydF4y2Ba

    Devalla HD, Passier R(2018)多能干细胞的心脏分化及其对健康和疾病中心脏建模的影响。科学翻译医学10(414):13。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1126/scitranslmed.aah5457gydF4y2Ba

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  98. 98.gydF4y2Ba

    田中Y, Morishima K, Shimizu T等(2006)培养心肌细胞驱动的芯片上泵。实验室芯片6(3):362-368。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1039/b515149jgydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  99. 99.gydF4y2Ba

    田中勇,佐藤K,清水T等(2007)体外培养心肌细胞供能的微球形心脏泵。实验室芯片7(2):207-212。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1039/b612082bgydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    Tanaka Y, Fujita H(2015)通过将iPS细胞分化为帐篷状结构的心肌细胞的微泵流体驱动系统。Sens执行器B化学210:267-272。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1016/j.snb.2014.12.069gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  101. 101.gydF4y2Ba

    Ricotti L, Trimmer B, Feinberg AW等人(2017)用于机器人的生物混合驱动器:由活细胞驱动的设备的回顾。科学机器人2(12):eaaq495。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1126/scirobotics.aaq0495gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  102. 102.gydF4y2Ba

    秋山Y, Iwabuchi K,古川Y等(2009)昆虫背血管组织驱动的长期和室温可操作生物驱动器。实验室芯片9(1):140-144。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1039/b809299kgydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    秋山Y, Odaira K, Sakiyama K等人(2012)快速移动的昆虫肌肉动力微型机器人及其化学加速。生物医学工程学报14(6):979-986。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1007/s10544-012-9700-5gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  104. 104.gydF4y2Ba

    金俊,朴俊,杨松等(2007)一种长期驱动混合电池机器人的制造方法的建立。实验室芯片7(11):1504-1508。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1039/b705367cgydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  105. 105.gydF4y2Ba

    秋山Y,佐久间T, Funakoshi K等人(2013)大气可操作生物驱动器由昆虫肌肉包装介质。实验室芯片13(24):4870-4880。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1039/c3lc50490egydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  106. 106.gydF4y2Ba

    Williams BJ, Anand SV, Rajagopalan J等(2014)低雷诺数下的自主生物混合游泳者。Nat Commun 5:8。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1038/ncomms4081gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  107. 107.gydF4y2Ba

    石晓东,石志军,王德明等(2016)含铁微生物细胞gydF4y2Ba3.gydF4y2BaOgydF4y2Ba4gydF4y2Ba掺杂水凝胶细胞外基质:磁刺激对活细胞的操纵。大分子生物学16(10):1506-1514。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/mabi.201600143gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  108. 108.gydF4y2Ba

    Edwards MR, Carlsen RW, Sitti M(2013)细菌驱动微珠三维运动的近壁和远壁效应。应用物理学报102(14):4。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1063/1.4801810gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  109. 109.gydF4y2Ba

    Molaei M, Barry M, Stocker R等人(2014)逃脱失败:固体表面防止翻滚gydF4y2Ba大肠杆菌gydF4y2Ba.物理通报113(6):6。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.068103gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  110. 110.gydF4y2Ba

    施晓东,杨晓东,杨晓东(2017)。应用物理Rev 4(3):23。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1063/1.4993441gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  111. 111.gydF4y2Ba

    Park SJ, Park SH, Cho S等(2013)基于细菌的微机器人的肿瘤治疗方法的新范式。科学报告3:8。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1038/srep03394gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  112. 112.gydF4y2Ba

    Nguyen VD, Han JW, Choi YJ等(2016)结合药物(紫杉醇)包裹的脂质体与靶向细菌的活性肿瘤治疗脂质体细菌机器人(gydF4y2Ba鼠伤寒沙门氏菌gydF4y2Ba).Sens驱动器B Chem 224:217-224。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1016/j.snb.2015.09.034gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  113. 113.gydF4y2Ba

    Carlsen RW, Edwards MR,庄杰等(2014)多细胞生物杂交微游动体的磁转向控制。实验室芯片14(19):3850-3859。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1039/c4lc00707ggydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  114. 114.gydF4y2Ba

    李志强,李志强,李志强等(2017)微藻的趋光性及其对生态环境的影响gydF4y2Ba衣藻reinhardtiigydF4y2Ba.Sci Rep 7:7。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1038/s41598-017-03618-8gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  115. 115.gydF4y2Ba

    谢世祥,焦nd,董松等(2016)一种新型藻类引导系统。IEEE 3M-NANO-IEEE Int Conf Manip, Manuf Meas Nanoscale, pp 64-68。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1109/3M-NANO.2016.7824669gydF4y2Ba

  116. 116.gydF4y2Ba

    庄军,朴博文,王晓明,王晓明(2017)细菌驱动的微游动体的推进和趋化性。动物科学4(9):12。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/advs.201700109gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    Barroso A, Landwerth S, Woerdemann M等(2015)生物混合微机器人光学装配。生物医学微开发17(2):8。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1007/s10544-015-9933-1gydF4y2Ba

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  118. 118.gydF4y2Ba

    Singh AV, Sitti M(2016)细菌在生物杂交细菌驱动的微游泳者上的模式化和特异性附着。中国医学杂志5(18):2325-2331。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/adhm.201600155gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  119. 119.gydF4y2Ba

    朴世杰,李玉凯,赵山等(2015)壳聚糖涂层对细菌海藻酸盐微机器人的影响。生物技术与工程学报,29(4):769-776。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/bit.25476gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  120. 120.gydF4y2Ba

    谢世祥,焦nd,董晟等(2016)藻类细胞微机器人受控规则运动。生物医学微开发18(3):9。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1007/s10544-016-0074-ygydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  121. 121.gydF4y2Ba

    Yasa O, Erkoc P, Alapan Y等人(2018)微藻驱动的微游动器用于主动货物运输。Adv Mater 30(45):10。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/adma.201804130gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  122. 122.gydF4y2Ba

    Singh AV, Hosseinidoust Z, Park BW等(2017)基于微乳化剂的软细菌驱动微游动器用于主动货物运输。ACS Nano 11(10): 9759-9769。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1021/acsnano.7b02082gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  123. 123.gydF4y2Ba

    Stanton MM, Park BW, Miguel-Lopez A等(2017)由单个捕获细菌驱动的生物杂交微管游泳者。小13(19):10。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/smll.201603679gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  124. 124.gydF4y2Ba

    庄俊,M Sitti(2016)生物杂交多菌驱动微游动体的趋化性。科学报告6:10。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1038/srep32135gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  125. 125.gydF4y2Ba

    朴宝文,庄杰,Yasa O等(2017)细菌驱动的多功能微游动器靶向活性药物输送。ACS Nano 11(9): 8910-8923。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1021/acsnano.7b03207gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  126. 126.gydF4y2Ba

    Buss N, Yasa O, Alapan Y等人(2020)纳米红体功能化的生物杂交微游泳者。APL生物工程4(2):026103。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1063/1.5130670gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  127. 127.gydF4y2Ba

    田中Y, Noguchi Y, Yalikun Y等(2017)蚯蚓肌肉驱动生物微泵。Sens执行器B化学242:1186-1192。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1016/j.snb.2016.09.123gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  128. 128.gydF4y2Ba

    Loverich JJ, Kanno I, Kotera H(2006)新型全聚合物微型泵的概念。实验室芯片6(9):1147-1154。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1039/b605525ggydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  129. 129.gydF4y2Ba

    Jo C, Pugal D, Oh IK等(2013)离子聚合物-金属复合致动器及其建模与应用研究进展。科学进展38(7):1037-1066。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2013.04.003gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  130. 130.gydF4y2Ba

    夏峰,张庆民(2006)聚合物电活性微流体泵。Sens驱动器A Phys 125(2): 346-352。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1016/j.sna.2005.06.026gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  131. 131.gydF4y2Ba

    Khalil ISM, Klingner A, Magdanz V等人(2019)在粘性胶体悬浮中的精子机器人建模。Adv理论模拟2(8):11。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/adts.201900072gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  132. 132.gydF4y2Ba

    Khalil ISM, Magdanz V, Simmchen J等(2020)运动和磁驱动精子细胞之间的相似性。应用物理学报116(6):5。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1063/1.5142470gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    Han J, Zhen J, Nguyen VD等(2016)混合驱动巨噬细胞为基础的微机器人用于主动癌症治疗。科学报告6:10。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1038/srep28717gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    Distler T, Solisito AA, Schneidereit D等(2020)3D打印氧化藻酸盐-明胶生物墨水在生物打印过程中通过剪切应力为C2C12肌肉前体细胞定向和分化提供指导。生物制造12(4):045005。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1088/1758-5090/ab98e4gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  135. 135.gydF4y2Ba

    孙涛,史强,梁青等(2020)微工程水凝胶中基于周向排列细胞自组织的血管平滑肌样组织的制备。实验室芯片20(17):3120-3131。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1039/d0lc00544dgydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    金J,海沃德RC(2012)用刺激反应材料模拟细胞培养的动态体内环境。生物技术30(8):426-439。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1016/j.tibtech.2012.04.003gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  137. 137.gydF4y2Ba

    Anand SV, Yakut Ali M, Saif MT(2015)生物驱动器和生物机器人应用微制造一维聚合物结构的细胞培养。实验室芯片15(8):1879-1888。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1039/c4lc01471egydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  138. 138.gydF4y2Ba

    Vannozzi L, Ricotti L, Cianchetti M等(2015)生物杂化驱动的聚二甲基硅氧烷结构自组装。生物工程学报10(5):16。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1088/1748-3190/10/5/056001gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  139. 139.gydF4y2Ba

    Lind JU, Busbee TA, Valentine AD等(2017)通过多材料三维打印的心脏微生理设备。母校16(3):303-309。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1038/nmat4782gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  140. 140.gydF4y2Ba

    Abadi P, Garbern JC, Behzadi S等人(2018)使用多尺度地形基质的成熟人类诱导多能干细胞来源的心肌细胞工程。动物实验28(19):11。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/adfm.201707378gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  141. 141.gydF4y2Ba

    Lam T, Dehne T, Kruger JP等人(2019)用于组织工程软骨立体平版3D生物打印的光聚合明胶和透明质酸。中华生物医学杂志,第2期,第2期,第2期。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/jbm.b.34354gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  142. 142.gydF4y2Ba

    Roshanbinfar K, Mohammadi Z, Mesgar ASM等(2019)碳纳米管掺杂心包基质衍生的导电生物杂化水凝胶用于心脏组织工程。生物科学7(9):3906-3917。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1039/c9bm00434cgydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  143. 143.gydF4y2Ba

    Annabi N, Selimovic S, Cox JPA等(2013)用于心肌细胞培养的水凝胶包被微流体通道。实验室芯片13(18):3569-3577。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1039/c3lc50252jgydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  144. 144.gydF4y2Ba

    王晓明,王晓明,王晓明等(2013)利用碳纳米管双电泳技术制备可收缩肌肌纤维。Adv Mater 25(29): 4028-4034。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/adma.201301300gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    韩淑娟,李文杰,李文杰等(2006)聚乙二醇水凝胶的光刻图谱。生物材料27(12):2519 - 2524。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2005.11.045gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  146. 146.gydF4y2Ba

    Suh KY, Seong J, Khademhosseini A等人(2004)一种简单的软光版印刷方法制备用于蛋白质和细胞模式的聚乙二醇微结构。生物材料25(3):557 - 563。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1016/s0142 - 9612 (03) 00543 - xgydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  147. 147.gydF4y2Ba

    Morimoto Y, Onoe H, Takeuchi S(2019)用于测量收缩力的拮抗骨骼肌组织的生物混合装置。机器人机器人33(5):208-218。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1080/01691864.2019.1567382gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    Cvetkovic C, Rich MH, Raman R等人(2017)模块化神经肌肉运动单元的3d打印平台。microsystem Nanoeng 3:9。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1038/micronano.2017.15gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    Raman R, Grant L, Seo Y等(2017)光遗传骨骼肌生物致动器的损伤、愈合和重塑。Adv Healthc Mater 6(12):1700030。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/adhm.201700030gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    张超,王建勇,王文祥等(2016)基于心肌细胞驱动的生物融合微游泳器建模与分析。生物工程11(5):13。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1088/1748-3190/11/5/056006gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    秋山Y, Hoshino T, Iwabuchi K等人(2012)由昆虫背血管组织驱动的室温可操作的自主移动生物微型机器人。PLoS ONE 7(7):6。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1371/journal.pone.0038274gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  152. 152.gydF4y2Ba

    Feinberg AW, Feigel A, Shevkoplyas SS等人(2007)用于建筑执行器和动力装置的肌肉薄膜。科学》317(5843):1366 - 1370。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1126/science.1146885gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  153. 153.gydF4y2Ba

    Shutko AV, Gorbunov VS, Guria KG等人(2017)蠕动泵的生物收缩微流体通道。生物医学微开发19(4):6。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1007/s10544-017-0216-xgydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    Lee A, Hudson AR, Shiwarski DJ等人(2019)胶原蛋白3D生物打印重建人类心脏组件。科学365(6452):482。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1126/science.aav9051gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  155. 155.gydF4y2Ba

    Kang HW, Lee SJ, Ko IK等(2016)一种3D生物打印系统,用于生产具有结构完整性的人体规模组织结构。生物工程学报34(3):312-319。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1038/nbt.3413gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    Sonntag L, Simmchen J, Magdanz V(2019)用于癌症治疗的纳米和微型电机。分子24(18):34。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.3390/molecules24183410gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

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    Davidson MD, Ban E, Schoonen ACM等(2020)多纤维水凝胶网络的机械化学粘附和可塑性。Adv Mater 32(8):8。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/adma.201905719gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  158. 158.gydF4y2Ba

    Shin SR, Jung SM, Zalabany M等(2013)用于工程心脏构造和生物执行器的碳纳米管嵌入水凝胶片。ACS Nano 7(3): 2369-2380。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1021/nn305559jgydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  159. 159.gydF4y2Ba

    尹俊杰,陈建平,陈建平等(2015)生物混合微缸中心肌细胞驱动的实验研究。Adv Mater 27(30): 4509-4515。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/adma.201501284gydF4y2Ba

    文章gydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  160. 160.gydF4y2Ba

    刘霞,赵红,陆玉玉等(2016)基于压电纳米纤维的体外心肌细胞驱动生物发电机。纳米级8(13):7278 - 7286。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1039/c5nr08430jgydF4y2Ba

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    Tanaka Y, Sato K, Shimizu T等(2008)由血管平滑肌细胞耦合到聚合物微柱驱动的生物微驱动器的演示。实验室芯片8(1):58-61。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1039/b714252hgydF4y2Ba

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    Williams BJ, Anand SV, Rajagopalan J等人(2014)微制造,生物混合,软机器人鞭毛。见:IEEE第27届微电子机械系统国际会议论文集,第192-195页。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1109/MEMSYS.2014.6765607gydF4y2Ba

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    Shin SR, Shin C, Memic A等(2015)对准碳纳米管为基础的柔性凝胶衬底的工程生物混合组织执行器。中国机械工程学报25(2):486 - 495。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/adfm.201501379gydF4y2Ba

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    Shin SR, Migliori B, Miccoli B等人(2018)电动微工程仿生软机器人。Adv Mater 30(10):1704189。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/adma.201704189gydF4y2Ba

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    mcenml, Agarwal A, Nesmith HW等(2014)用于工程心脏组织扩展培养的微模明胶水凝胶。生物材料35(21):5462 - 5471。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2014.03.052gydF4y2Ba

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    傅福飞,尚丽然,陈志智等(2018)生物灵感生物结构彩色水凝胶。科学机器人3(16):8。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1126/scirobotics.aar8580gydF4y2Ba

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    Hinds S,卞W, Dennis RG等(2011)细胞外基质组成在生物工程骨骼肌结构和功能中的作用。生物材料32(14):3575 - 3583。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2011.01.062gydF4y2Ba

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    Sakar MS, Neal D, Boudou T等(2012)工程3D骨骼肌生物执行器的形成和光遗传控制。实验室芯片12(23):4976-4985。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1039/c2lc40338bgydF4y2Ba

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    Webster VA, Hawley EL, Akkus O等人(2015)用于心肌细胞驱动的生命机器的电压实对齐胶原蛋白变体的制备。选择注释计算科学。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1007/978-3-319-22979-9_43gydF4y2Ba

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    刘丽琴,张超,王文霞等(2018)电刺激对肌肉驱动生物融合爬行动物C2C12分化的调控及收缩细胞搏动动力学的控制。软体机器人5(6):748-760。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1089/soro.2018.0017gydF4y2Ba

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    Kim Y, Pagan-Diaz G, Gapinske L等人(2020)石墨烯电极与3D骨骼肌组织模型的集成。Adv Healthc Mater 9(4):6。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/adhm.201901137gydF4y2Ba

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    Alapan Y, Yasa O, Schauer O等人(2018)用于货物运输的软红细胞细菌微游泳器。机器人科学3(17):10。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1126/scirobotics.aar4423gydF4y2Ba

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    韦伯斯特VA, Chapin KJ, Hawley EL等人(2016)gydF4y2Ba海兔CalifornicagydF4y2Ba作为生物混合机器人和有机机器的新材料来源。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1007/978-3-319-42417-0_33gydF4y2Ba

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    Stanton MM, Simmchen J, Ma X等(2016)生物混合动力Janus电机驱动gydF4y2Ba大肠杆菌gydF4y2Ba.Adv Mater Interf 3(2):8。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1002/admi.201500505gydF4y2Ba

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    Uesugi K, Shimizu K, Akiyama Y等人(2016)昆虫肌肉驱动生物驱动器在不同刺激策略下的收缩性能和可控性。软体机器人3(1):13-22。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1089/soro.2015.0014gydF4y2Ba

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    庄军,卡尔森,王晓明,王晓明(2015)生物杂交微系统的ph趋近性。Sci Rep 5:13。gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1038/srep11403gydF4y2Ba

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中国国防科技大学科研项目(No. 1)资助。ZK19-33)和国家博士后国际交流计划资助项目(博士后48127号)。gydF4y2Ba

作者信息gydF4y2Ba

从属关系gydF4y2Ba

作者gydF4y2Ba

贡献gydF4y2Ba

ZNL对文献进行了调查和总结,并撰写了初稿。JZS和TJ帮助修改了论文并给出了一些建议。JZS和TJ监督申请资金。所有作者均已阅读并批准此手稿出版。gydF4y2Ba

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对应到gydF4y2Ba道江gydF4y2Ba或gydF4y2Ba总裁代商gydF4y2Ba.gydF4y2Ba

道德声明gydF4y2Ba

利益冲突gydF4y2Ba

作者宣称不存在利益冲突。gydF4y2Ba

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本研究不包含任何作者对人类或动物进行的任何研究。gydF4y2Ba

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林志刚,姜涛,尚涛。生物混合微型机器人的新兴技术综述。gydF4y2BaBio-des。Manuf。gydF4y2Ba(2021)。https://doi.org/10.1007/s42242-021-00135-6gydF4y2Ba

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关键字gydF4y2Ba

  • 生物合成的机器人gydF4y2Ba
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  • 致动器的材料gydF4y2Ba
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