外置骨骼机器人具体的驱动方式？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-06-23 13:16 标签： 残疾人外置骨骼

我们所有人在刚出生时，颅骨之间存在着间隙，上面覆盖着软结缔组织也就是囟（xin）门。囟门的柔软，使得颅骨可被压缩，并能适应妈妈狭窄的产道。出生后，囟门中的组织会慢慢变为坚硬骨骼并在 1-2 岁闭合。

近日，浙江桐乡女生曹丹凤模拟自然骨骼的生长，造出可独立发育骨骼的微型机器人。

图 | 曹丹凤（来源：资料图）

当一种电活性聚合物与骨骼发育中的重要生物分子相结合，即可制备这种机器人。当它受到刺激时，即可 " 复制 " 人体骨骼的自然过程，并形成具有多种配置的骨骼。

图 | 可独立发育骨骼的微型机器人（来源：资料图）

目前她正在瑞典林雪平大学应用物理专业读博四。

该研究由瑞典林雪平大学和日本冈山大学的合作团队完成，他们开发出一种可采用不同形式进行自我硬化的材料组合。这种柔软型材料，经过短时间培养后能形成骨骼的最初形态——羟基磷灰石。相比此前材料，此次新形成的矿化材料具有更坚硬的特性。

曹丹凤表示，该材料的研究基础，来自日本冈山大学研究人员之前开发的新型骨骼生成材料。该校的上冈宏（Hiroshi Kamioka）和埃米利奥 · 哈拉（Emilio Satoshi Hara）发现这种材料可在很短时间内发生矿化行为，仅需要两天即可形成矿化结构，而其他骨骼促进因子则需至少两到三周甚至一个多月。

此时，曹丹凤的导师艾德文 · 加戈（Edwin Jager）正好来到日本冈山大学访问，当他得知该材料的优异特性时，想着能否将这一优异性与他之前所做的聚吡咯驱动器相结合，利用聚吡咯的导电性和驱动性去扩展材料应用领域。

于是加戈与哈拉开始合作这一项目。这时，曹丹凤申请了加戈的博士生，自此开始接手。

该技术由基础藻酸盐水凝胶组成。一方面，她和团队制备了一种电活性聚合物，当施加低电压时，它会改变其体积，导致凝胶向特定方向弯曲。在凝胶的另一侧，将参与骨骼发育的细胞中的生物分子贴在上面。当生物分子在体内遇到正确的环境时，它们将开始矿化并变硬，从而形成一个支架，允许额外的骨骼生长。

曹丹凤表示最初她用普通水凝胶吸附一定量的吡咯单体，通过原位聚合来制备聚吡咯驱动器。

由于聚吡咯的特殊驱动能力，让驱动器能在施加弱电压时产生体积改变，从而促使微型机器人向一个方向弯曲以实现驱动目的。

但是曹丹凤后来发现，在水凝胶浅表面形成的一层聚吡咯层，会在之后变得非常脆，这样的力学强度根本无法进行后续实验。

后来，她在一篇文献上偶然看见有学者采用海藻酸钠凝胶，将吡咯单体采用电化学合成的方法，穿透海藻酸钠凝胶层并可以形成良好结合的能力，并能独立于工作电极的柔性驱动器。

基于此，曹丹凤终于定下驱动器的基础。然后，她将日本冈山大学的生物纳米材料，加入到该海藻酸钠水凝胶驱动器中，进行下一步生物材料生长实验。

在后面的实验中，她又惊喜地发现这种生物纳米材料在矿化后所引起的硬化结果，不仅生成了原先它本身所具有的矿化物质，更意外的是这种矿化所带来的硬质矿物，导致驱动器的驱动行为受到限制。

于是，曹丹凤决定将该生物材料驱动器的应用进行拓宽。如果说最初的生物纳米材料凝胶驱动器只是一种简单的 " 手动微型机器人的话，那么经过进一步延伸之后的 " 微型机器人 " 就变成了具有可调整的 " 智能微型机器人。

因此，曹丹凤决定将这种海藻酸钠水凝胶进行图案化，使其具有可控的方向驱动性。然而，设计之初总是非常美好，但是在实施海藻酸钠水凝胶的图案化的过程中，却经历了非常迷茫的一段时间。

期间，她也尝试使用一些很容易进行图案化、用紫外就可聚合的水凝胶，但是这些水凝胶并不符合可有效展示生物矿化前后的机械强度改变所带来的驱动变化的要求，从而导致实验一直停滞不前。

在多次尝试之后，曹丹凤在一篇文献中发现了对海藻酸钠凝胶的图案化方法。后来，她继续使用海藻酸钠凝胶作为基质，结合之前的聚吡咯合成方法，成功制备出智能化方向可控的骨骼生长驱动器。

研究中，她设计出两种比较基础的图案化，一种是水平交替分布的图案，这种图案化的方式能让驱动器实现半圆卷曲的驱动，也是她接下来用于骨骼包覆实验的图案。

另一种图案则是 45 ° 倾斜图案，它能让驱动器实现螺旋扭曲驱动。这种可控的方向驱动性，只需要在驱动初期施加弱电压就能实现对骨头的调控包包覆。而在后续生物矿化和骨骼形成过程中，无需能量提供即可维持该包覆状态。

这种具有优良生物矿化的材料，结合了海藻酸钠优良的生物相容性，让驱动器能很好地和损伤骨骼，形成良好的粘结和生长结合。最后，在凝胶矿化和硬化之后，该驱动器可稳定附着在骨头上，并进一步生长。

通过将材料浸入细胞培养基中，曹丹凤展示了概念验证，该验证旨在模拟细胞在体内遇到的环境。结果发现，培养基中的钙和磷刺激生物分子开始硬化和矿化。

对于成果转化，曹丹凤说她感兴趣的潜在应用之一是骨愈合。具体来说，由电活性聚合物赋予强度和流动性的柔软材料，可在复杂的骨折中移动到腔中并展开。

一旦材料硬化，就会带来新骨骼形成的基础。她说：" 将来所希望的可能性用途是，治愈复杂的骨折或用于柔软的微型机器人。比如，可通过一根小针头将微型驱动器注射到体内，当机器人在指定位置展开、并包裹住所需要修复的骨头，即可让骨头结合并形成骨骼，从而实现复杂损伤骨头的定点修复功能。

接下来，曹丹凤将继续研究材料组合的特性、以及它和活细胞一起工作的原理，希望借此了解更多关于生物相容性的信息。同时也会将驱动器做到微米级别，实现真正的体内骨修复。

据介绍，曹丹凤生于 1991 年。本科毕业于四川农业大学，硕士毕业于吉林大学。

图 | 曹丹凤（来源：曹丹凤）

读硕期间，曹丹凤研究的是聚氨酯合成，即做口腔修复材料。她表示：" 可能这确实不是热门领域，它不能让我们发顶级期刊，但是导师让我们知道，科研是为了发展，虽然这个领域很小众，这个领域很冷门，但是它真的在我们的努力下一点一点地在实现应用。这才是科研的初心！"

而现在，作为一名博四研究生，她依然在另一个小众冷门的领域努力着，做着导师加戈自 2000 年就已启动的研究。

曹丹凤说：" 曾经我也迷茫过，不知道这个领域的研究到底能为社会发展做什么。这时在加戈的带领和指导下，让我知道可以进行跨领域的拓宽。可以说，每个领域都能以另一种方式在另一个地方找到发光发热的点。

对于机器人来说，可以说是典型的机电一体化技术的产物。只不过，我们对于机器人的研究更多的是用在工业领域，也就是大家熟悉的工业机器人。

说到工业机器人，我想大家很多人都看过库卡的一个广告：库卡工业机器人大战乒乓球世界冠军蒂姆·波尔

影片中要不是我们可怜的机器人臂展不够长，被蒂姆·波尔发现了局限性。几个来回下来是输是赢还真不好说。那么，下面我就以工业机器人作为机器人应用中最简单的例子，给大家简单介绍一下他是如何驱动的。

工业机器人最核心的驱动部件就是步进电机和电机对应的驱动器，步进电机和我们在初中物理上学的电机最大的不同就是：除了和普通电机一样可以变速变向的持续旋转外，更重要的是它还可以实现对应角度的旋转。也就是说我给驱动器一个信号，驱动器下发到电机的是正向或反向旋转一个角度。要实现这种功能，离不开步进电机特殊的转子和定子结构。你可以看下面这个视频了解他是如何旋转的，因为现在手头没有步进电机可以拆。

实际上前几天有条新闻是饿了么送餐员的外骨骼机器人也是一种典型的步进电机驱动的辅助装置，如果是这种对动作力矩要求不大的情况，步进电机来驱动是完全能够胜任，但是对于这些大型展示作品，步进电机就会显得有些吃力了。因此，我们还需要一些机械方面的知识。

请同学们翻开《机械基础》课本，打开气压与液压这一章节。是的，我们需要借助这两位的力量才能支撑得起如此庞大的身躯。

气压和液压的原理和工作方式大同小异，利用压缩空气或者液压油来驱动活塞缸或者马达。使其能做直线或旋转运动。液压和气压虽然都是通过压力来驱动但是它们两个在很多特性上都截然相反比如：气动设备动作灵活快速，但是能够发挥的力量却不高。液压设备大多数速度上没有气压设备那么快速，但是能提供的力量比气压高很多。这是因为气体和液体可以压缩的比利不同造成的。再比如气动设备对于管路污染不是很敏感，而液压设备对于污染就很敏感了，以至于在大型设备里面都要安装好几处不同的过滤器。

可是光有气压和液压装置也不够啊，为了让他动起来，我们还需要其他机械结构，比如：平面铰链四杆机构

这样，我们就可以让设备可以完成：回转，摆动等等动作。

平面铰链四杆机构在日常生活中应用非常广泛，从公交车车门到飞机起落架，从船坞的港口吊机到以前的家用缝纫机。里面都有平面铰链四杆机构的身影。

现在，我们再想一个问题，动力如何传递？

液压和气压可以通过管路传递动力，但是电机的动力如何传递过去呢？

答案是：传动带，传动链，传动轴。

看一下自行车，那一排上了油的滚子链。

再看一下手扶拖拉机上拿好几根v带

然后我们再找一辆五菱宏光这样的前置后驱的车子，来到车底向上看，哈！一根万向轴

没错，多亏了这些，我们才能灵活高效的在 长距离传递动力。事实上，在很早以前，电力供给无法稳定的时候，很多工厂有一个车间叫做动力车间，你猜他是干嘛的？没错，烧锅炉，让蒸汽机转起来，然后驱动着一条长长长长的平带，连着后面车间的机器上，需要那台机器工作时，就把自己这台机器的传动带接上或者拉一下离合器，这样就能开工了。

好了，就浅浅的和大家聊这一点吧，实际上，驱动机器人需要的东西远远不止这些，不过究其原理，也不过是这些简单的零件一个一个组装起来的。人类之所以能造出如此复杂的东西，其根本莫过于隐藏在背后哪些核心纯粹简单的公式，理论。我们只不过是在前人的肩膀上创造了更美好的东西罢了。

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