类生命机器人由生命系统和机电系统在分子、细胞以及组织等尺度融合而成，具有高能量效率、自生长、自修复、生物相容等独特优势，是近年来快速发展的前沿方向。以骨骼肌作为生物驱动器的类生命机器人，普遍存在生物驱动器输出力量弱、运动机动能力有限、有线控制束缚作业场景等技术瓶颈，严重制约这类机器人走向实际应用。

近日，中国科学院沈阳自动化研究所机器人学研究室科研团队受蝠鲼游动机制启发，研制出一款基于牛蛙离体骨骼肌的无线近红外光控类生命蝠鲼机器人，该机器人多项运动性能实现显著提升，为新一代无线可控高性能类生命机器人的研发开辟全新技术思路。该成果于近期刊载于国际学术期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。

类生命蝠鲼模型

类生命蝠鲼机器人的仿生作用机理

区别于领域内主流的细胞工程骨骼肌组织，科研人员创新性地选用牛蛙股薄肌天然离体骨骼肌作为生物驱动核心，其天然肌纤维排布有序，收缩力学性能优于细胞再造肌肉。通过优化电刺激参数，离体肌肉可稳定输出6.5牛顿收缩力，极限条件下峰值收缩力达9.4牛顿。体外培养测试证实，该离体骨骼肌可维持电响应收缩性能长达11天，可稳定驱动机器人运行7天。

在无线驱动方面，科研团队构建了“近红外激光—光电转换—神经电刺激”一体化驱动架构。在机器人背部集成砷化镓（GaAs）光伏模块，通过分时、分区激光辐照左右光伏模块，可独立控制双侧肌肉收缩时序，无需外接线缆即可实现直行、左右转向、环形巡游、掉头等多自由度复杂运动，实现无缆化水下精准运动控制。该方案无需对生物组织进行基因修饰，拓展了类生命机器人水下作业适用场景。

类生命蝠鲼机器人敏捷运动的演示与分析

性能测试结果表明，这款类生命蝠鲼机器人在机动性方面实现多项突破：平均直线游动速度达0.54体长/秒（约2.7厘米/秒），瞬时峰值游速可达2体长/秒，创造了由骨骼肌组织驱动的类生命机器人的最高相对行进速度；最小转弯半径仅0.8倍机体长度，最大转向角速度达21°/秒，仅17秒即可完成完整环形轨迹。该机器人同时支持水面巡游、水下5克负载作业及硬质地面低速曲线移动。

本研究首次将天然离体骨骼肌与无线光电神经调控体系融合，验证了天然离体骨骼肌作为高性能生物驱动器的重要潜力，所构建的肌肉电刺激参数体系可为神经损伤肌肉体外修复、组织工程动态培养平台提供实验参考。

该研究以High-Mobility Wireless Light-Controlled Biosyncretic Manta Ray为题发表，沈阳自动化所博士研究生张琪为论文第一作者，张闯副研究员为通讯作者。

后续，科研团队将围绕优化离体肌肉体外培养体系、研发类神经柔性薄膜电极、集成光伏储能自供能模块等方向持续攻关。该研究得到了国家自然科学基金项目、科技部重点研发计划项目的支持。

DOI: 10.1002/adfm.77713

论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.77713