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《Science》子刊:能够完成无机和无机界面临化学信号自主阐发的柔性传感机械人
2019-07-24 10:50:10 | 【 【打印】【封闭】

  下一代软体机械人 将经由集成合成生物学和软材料科学从而获得复杂的成长。合成生物学能够斥地受生物开导的布局系统,使不合尺度的生物系统的功能集成成为可能。软体机械人成长的最新筹算,使用软材料完成兼容、简练、多功能的系统,从而仿生天然生物机关和无机体的强大机械机能和丰盛的功能性。迄今为止,这些软体机械人的建立模块次要局限于由弹性体、流体、金属合金和其他无机物构成的材料布局,包罗使用气动听工肌肉致动器、外形回忆合金、介电弹性体等。在系统层面,娇嫩和有弹性的材料曾经被用来制造仿照天然生物的仿朝气械人和仿生抓手。近日,科学家们将软质材料与天然细胞连系起来,创作发明出能对外界刺激做出反映的“生物夹杂”系统。例如,由聚二甲基硅氧烷(PDMS)基质或3D打印支架上培育的收缩细胞驱动的拍浮和爬行生物夹杂机械人。经由对细胞内部的工作编制进行从头编程,以充实把持其固有的多功能性,研究人员又一次创作发明了微型机械,能够作为传感器、算计对象和计时设备。由此发生的小型化合成生物系统能够完成多功能化学信号检测。所以,这些特征使得合成生物系统(合成细胞)无望成为集成、矫捷、受生物开导的布局中的子组件,使用于软体机械人或其他可穿戴设备。

  将细胞与软性机械人集成的一个次要挑战是窘蹙一个界面模块来同时完成外部环境与细胞之间的信号互换、细胞与内部电子学之间的通信以及机械人内部电子学与宿主力学之间的节制 。这类界面模块必需防止工程细胞逃逸,同时答应在四周环境中化学或电信号的转化。此外,该模块必需能够大概将这些环境信号转换为蜂窝信号,最后转换为电信号。所有的信号转和模块设想都必需使机械人能够矫捷活动,在小型设备也能够完成上述功能。

   

 

  为领会决上述的挑战, 卡内基梅隆大学机械学院和生物医学工程学院的Philip R. LeDuc 和加州大学戴维斯分校生物医学工程学院的 Cheemeng Tan 团队 ,结合设想并集成为一个生物传感模块,该模块的特点是: 将基因工程大肠杆菌集成到包含嵌入式电子元件、能够大概以流体驱动的软体机械人触手中。 

   

 

  图示一:将化学反映性合成细胞和柔性材料集成为可生物传感的软体机械人。

  该工作设想的模块包罗用多孔膜密封的有图案的弹性体材料,以容纳转基因大肠杆菌菌株。大肠杆菌作为化学传感层,能够矫捷地整合现有的合成遗传电路,也建立了一类新的软机械人传感器模式。大肠杆菌菌株对以荧光蛋白的形式具有的化学诱导物- isopropyl β-D-1-thiogalactopryanoside (IPTG)具有遍及的响应。然后,由嵌入式电子元件激活并检测荧光蛋白-IPTG,然后将消息传送给地方处置器(CPU),启动机械人的决策和驱动。

  这类集成的方式答应完成真正的机械人自主功能,在这类功能中,抓取任务是按照外部刺激施行的,这些刺激是经由嵌入的合成细胞检测到的。

   

 

  图示二:使用柔性生物传感应手的机械人分拣。(A)除了先前测试的元件外,柔性生物传感应手的元件又一次包罗柔性印刷电路板和嵌入式光电晶体管。(B)该安装的特点是有一个培育基槽,经由4个自由度的机械臂将触手浸入此中,以测试化学诱导剂的传感模式。(C)与对照组比拟,IPTG+镀液中细胞的光电晶体管输出随时间的变化显著,使系统能够大概按照细胞的遗传反映作出决定。(D)软体机械人按照光电晶体管信号对物体进行分类,将物体分类为IPTG后,用三指生物传感应手将物体展开放入浴中。

  该文章的第一作者是 Kyle B. Justus ,通信作者别离是 PhilipR. LeDuc教授 Cheemeng Tan教授 

  文章文章地址:高分子科学前沿、网易号

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