《Advanced Robotics Research》：Light-Driven Quadrupedal Walking Biohybrid Robot With Antagonistic Muscle-Rings and Inclined Joints
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该研究展示了一种创新的光驱动四足行走生物混合机器人，它通过拮抗性肌环（muscle-rings）和倾斜关节轴的设计，突破了传统基于弯曲软梁的光驱动机器人只能波状爬行的局限，首次实现了包含腿部抬离（lift-off）和触地（touchdown）的交替行走步态。此外，咖啡因（caffeine）处理和光学训练（optical training）分别增强了肌肉收缩力和组织制造的可重复性，为开发具有更大步幅、地形适应性和多关节扩展性的生物混合行走机器人提供了新思路。
引言
生物混合机器人因其能模拟生物体、高能效和自愈潜力而备受关注。现有基于光遗传学修饰鼠源成肌细胞（ChR2-C2C12）的驱动技术已实现非接触激活，但传统设计将条状组织附着于软梁上，只能产生波状爬行，无法实现离散的腿部抬升运动。本研究旨在开发一种能进行交替行走步态的四足生物混合机器人。
1. 光学训练对肌环形态的影响
肌环通过将细胞与基质胶（Matrigel）和纤维蛋白原（Fibrinogen）混合，灌注至聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具中培养而成。为提升组织均一性，研究引入了光学训练，即在培养期间进行循环性蓝光刺激（1小时开/3小时关）。评估指标为环宽度不规则性（RWI），其值越低表示环的几何形状越均匀。
研究结果显示，光学训练并未改变肌环的平均宽度，但将RWI从0.52降至0.16，降低了约69%。这表明重复的光刺激促进了均匀的组织重塑，可能通过机械负荷抑制了局部突起和不均匀收缩。对训练后肌环的组织学分析显示，α-辅肌动蛋白（α-actinin）表达清晰，F-肌动蛋白（F-actin）显示细胞骨架丝排列整齐，方向性分析表明约37.2%的细胞骨架丝在主轴±10°范围内对齐，证明形成了有序的形态结构。
2. 肌环的收缩力
肌环的收缩力通过微力传感器直接测量。在多种刺激频率（1-50 Hz）和脉冲宽度（10-300 ms）条件下，未观察到收缩力的显著差异。在低频率（1和5 Hz）时，收缩模式与光脉冲同步；而在较高频率（≥20 Hz）时，观察到强直收缩，但收缩力在初始脉冲后约2秒内下降约70%，这表明ChR2通道在重复激活中存在去敏感化（desensitization）。
咖啡因处理（3.9 mM）能将收缩力提升约1.7倍，从0.64 mN增至1.1 mN，并且在处理后35分钟观察到持续增强。这证明了药理增强可以有效弥补ChR2肌肉组织相对较低的输出力。
3. 光驱动拮抗关节运动的评估
将培养成熟的肌环转移至刚性机器人骨架上，构建了具有拮抗结构的四足行走机器人。评估关节运动时，固定后腿使前腿自由活动。在图案化光刺激下，关节表现出周期性的旋转，旋转角度在-1.49°至+0.83°之间变化，显示出对光刺激的高响应性。改变刺激频率或脉冲宽度并未引起旋转角度的显著变化，这与肌环收缩力的结果一致。拮抗结构的设计有助于平衡由组织自发收缩产生的被动张力，使关节在非激活状态下保持初始位置。
4. 四足行走机器人的行走性能
在组装后第2天进行运动实验。在2 Hz、200 ms脉冲宽度的刺激下，机器人在50秒内向前行进超过3 mm。机器人表现出腿部抬升行走，其足尖的抬离和触地动作与光刺激模式同步，不同于波状爬行。
通过不对称光刺激（一侧10 ms vs 另一侧100 ms），机器人能够实现向左转弯；在对称刺激（100 ms vs 100 ms）下，由于两侧肌环输出固有的不平衡，机器人也会向右转弯。定量分析证实了其抬离策略与传统爬行机器人的不同。采用刚性本体和嵌入体内的拮抗性致动器，有助于抵消自发收缩，并在组装后两天仍保持运动功能。
结论
本研究成功开发了由拮抗肌环和关节腿部架构驱动的光驱动四足行走生物混合机器人。它通过倾斜关节轴和拮抗性驱动实现了交替行走步态，具有清晰的腿部抬离和触地动作。光学训练提高了组织制造的重复性，咖啡因处理增强了收缩力。尽管取得了进展，光驱动力仍低于电刺激，未来的改进方向包括结合生化增强剂（如β-肾上腺素能激动剂）或机械调节（如周期性拉伸），以提升输出力和长期稳定性，并将该架构扩展至更复杂的多关节系统，以实现更先进的步态和地形适应性。这项工作为超越传统爬行系统的光驱动生物混合致动开辟了新的可能性。
