一种生物肌肉驱动器同步构建系统及方法

本发明属于生物肌肉驱动，具体涉及一种生物肌肉驱动器同步构建系统及方法。

背景技术：

1、随着时代发展和科技进步，尺寸在毫米级及以下的微小型机器人得到广泛关注，在战场侦察、救援抢险等方面具有较大应用前景。其中，驱动器作为机器人的关键部件，决定了机器人能否在小型化的同时依然保持优异的运动性能。电机、介电弹性体、液压等驱动装置在近几十年得到蓬勃发展，极大促进了机器人系统的进步。然而，它们在将尺寸减小至毫米级及以下尺寸时，面临制造精度下降、制造成本增大、可靠性降低等缺陷。

2、现阶段，由真实生物肌肉细胞与生物活性材料(例如天然高分子材料中的纤维蛋白原、基质胶、甲基丙烯酰化明胶(gemma)等水凝胶)构建而成的生物肌肉驱动器得到了研究人员的广泛关注。它具有易于小型化、生物相容性、小尺寸下输出力高、高能量转换效率和高柔顺性等优势。然而，传统技术的肌肉驱动器的构建存在制备过程复杂、成品率低、驱动器未进行环境调控、难以控制驱动器内部纤维方向、没有考虑营养循环输送和废物循环排出、没有考虑自反馈调节等不足，这导致肌肉驱动器构建及驱动性能实现面临极大挑战。因此，设计一种可以克服上述不足的生物肌肉驱动器同步构建技术显得至关重要。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种生物肌肉驱动器同步构建系统及方法，解决传统肌肉驱动器的构建存在的制备过程复杂，成品率低，未进行环境调控，难以控制内部纤维方向的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种生物肌肉驱动器同步构建系统，包括营养供给单元、同步构建单元、过氧化氢燃料电池、可调电源和废液存储单元；

3、所述营养供给单元通过输送管道连接所述同步构建单元的营养输入端，所述营养供给单元根据生物养料检测传感器及生物养料检测传感器的反馈系统，自反馈地向所述同步构建单元输送生物养料；所述同步构建单元的废液输出端通过输送管道连接所述废液存储单元，所述废液存储单元根据二氧化碳传感器及二氧化碳传感器的反馈系统接收所述同步构建单元排出的废液；

4、所述过氧化氢燃料电池通过输送管道连接所述同步构建单元的氧气输入端，所述过氧化氢燃料电池用于向所述同步构建单元供应氧气，并根据氧气含量监测传感器自反馈调节氧气输入速率及输入体积，所述过氧化氢燃料电池还用于向生物肌肉驱动器同步构建系统中的电子元器件进行供电；

5、所述可调电源和所述同步构建单元的供电端电连接，所述可调电源用于对所述同步构建单元进行激励，促使所述同步构建单元内部的肌纤维周向排列生长。

6、作为生物肌肉驱动器同步构建系统优选方案，所述营养供给单元包括培养基本体、养料存储瓶和第一阀门；所述培养基本体设置在所述养料存储瓶的内部；所述第一阀门设置在所述营养供给单元和所述同步构建单元之间的输送管道上，所述第一阀门用于对输送到所述同步构建单元的生物养料进行控制。

7、作为生物肌肉驱动器同步构建系统优选方案，所述废液存储单元包括废液存储瓶和第二阀门；所述第二阀门连接在所述同步构建单元和所述废液存储单元之间的输送管道上，所述第二阀门用于对所述同步构建单元输送到所述废液存储瓶内部的废液进行控制。

8、作为生物肌肉驱动器同步构建系统优选方案，所述同步构建单元包括同步构建上端盖、肌肉驱动器和同步构建底座；所述同步构建上端盖包括导电水凝胶层、拉伸柱和盖子本体；所述导电水凝胶层分布在所述盖子本体的内部，所述拉伸柱连接所述导电水凝胶层；

9、所述肌肉驱动器附着在所述拉伸柱上，所述拉伸柱的收缩舒张运动带动所述肌肉驱动器收缩舒张；

10、所述同步构建底座形成有腔体，所述肌肉驱动器设置在所述腔体内部，且所述拉伸柱与所述同步构建底座含导电水凝胶层部分接触，所述同步构建上端盖覆盖在所述同步构建底座的上端。

11、作为生物肌肉驱动器同步构建系统优选方案，所述可调电源和所述拉伸柱电连接，通过所述可调电源对所述拉伸柱进行激励使所述拉伸柱径向收缩舒张运动，促使所述肌肉驱动器内部的肌纤维根据需要沿设定方向和角度生长。

12、作为生物肌肉驱动器同步构建系统优选方案，当对所述肌肉驱动器内部的肌纤维径向排列时，将所述拉伸柱两端的电场调成弱电场，并对所述肌肉驱动器径向激励；

13、通过调控电场强弱使所述肌肉驱动器内部肌肉纤维产生不同方向的形变，并使肌肉驱动器培养完成后在电流激励下实现可控收缩舒张运动。

14、作为生物肌肉驱动器同步构建系统优选方案，所述过氧化氢燃料电池包括过氧化氢燃料电池反应室、阳极、阴极、第一过滤器、第二过滤器和第三阀门；

15、所述阳极和所述阴极由所述过氧化氢燃料电池反应室引出，所述阳极和所述阴极采用电线连接生物肌肉驱动器同步构建系统中的电子元器件；

16、所述第一过滤器、所述第二过滤器、所述第三阀门依次连接在所述过氧化氢燃料电池和所述同步构建单元之间的输送管道上；所述第一过滤器用于过滤掉所述过氧化氢燃料电池反应室产生的水蒸气；所述第二过滤器用于过滤掉所述过氧化氢燃料电池反应室产生的氧气中的细菌；所述第三阀门连接自反馈系统用于控制向所述同步构建单元内部输送的氧气量。

17、作为生物肌肉驱动器同步构建系统优选方案，所述过氧化氢燃料电池还配置有温度传感器及温度控制板，所述温度控制板用于实时调控温度条件以控制所述过氧化氢燃料电池的反应时间、速率及开关；所述温度传感器用于监控所述过氧化氢燃料电池反应室的温度；

18、还包括电解质浓度监测传感器，电解质浓度监测传感器用于监测电解质浓度，并对电解质添加进行提示。

19、本发明还提供一种生物肌肉驱动器同步构建方法，采用上述的一种生物肌肉驱动器同步构建系统，包括：

20、启动营养供给单元，向同步构建单元中输送生物养料，根据同步构建单元中的ph、葡萄糖检测传感器实时反馈调节输入生物养料的速度和流量，通过第一阀门实时调节生物肌肉驱动所处的环境；当监测到葡萄糖或二氧化碳废料含量超过阈值，打开第二阀门，排出废液到废液存储单元；

21、过氧化氢燃料电池进入供氧供能双供模式，通过温度控制板和温度传感器控制过氧化氢燃料的分解速率以及是否分解；当根据同步构建单元中的氧气检测传感器实时反馈需要向同步构建单元输入氧气时，温度控制面板控制开始加热过氧化氢燃料分解生成氧气，同时过氧化氢燃料电池给生物肌肉驱动器同步构建系统中的电子元器件供电；

22、通过可调电源对同步构建单元的拉伸柱进行激励，促使同步构建单元的肌肉驱动器内部的肌纤维周向排列生长；当需要肌纤维实现径向排列时，将拉伸柱两端的电场调成弱电场对肌肉驱动器径向激励，所使用的弱电场小于使拉伸柱发生形变的电场临界值，并通过调控电场强弱使肌肉驱动器内部肌肉纤维产生不同方向的形变；

23、培养指定天数后，同步构建单元的生物肌肉驱动器同步构建完成，肌肉驱动器内部具有设定方向平行排列的肌纤维，根据需求使肌肉驱动器脱离拉伸柱，对肌肉驱动器施加电刺激进行驱动。

24、作为生物肌肉驱动器同步构建方法优选方案，同步构建单元中具有连通各个肌肉驱动器位置的通道以用于营养传输；

25、同步构建单元采用3d打印的电致变人工肌肉制备而成，在同步构建单元的拉伸柱两端可调电场作用下拉伸柱实现收缩舒张运动，肌肉驱动器通过3d打印方式构建且附着在拉伸柱上；拉伸柱的收缩舒张运动带动肌肉驱动器收缩舒张，调控肌肉驱动器的肌纤维的方向呈周向排列；

26、肌肉驱动器通过静应力拉扯、喷嘴直径变小方式促进肌肉驱动器内部肌纤维的方向性。

27、本发明具有如下优点：(1)设有营养供给单元、同步构建单元、过氧化氢燃料电池、可调电源和废液存储单元；营养供给单元通过输送管道连接同步构建单元的营养输入端，营养供给单元用于向同步构建单元输送生物养料；同步构建单元的废液输出端通过输送管道连接废液存储单元，废液存储单元用于接收同步构建单元排出的废液；过氧化氢燃料电池通过输送管道连接同步构建单元的氧气输入端，过氧化氢燃料电池用于向同步构建单元供应氧气，过氧化氢燃料电池还用于向生物肌肉驱动器同步构建系统中的电子元器件进行供电；可调电源和同步构建单元的供电端电连接，可调电源用于对同步构建单元进行激励，促使同步构建单元内部的生物肌肉驱动器的肌纤维生长。

28、(2)本发明可实现多个生-机-电耦合肌肉驱动器同步构建及培养，提高了成品率和效率，可同时节约时间成本和费用成本。

29、(3)可通过葡萄糖含量、二氧化碳含量等监测实现自反馈调节控制肌肉驱动器培养过程中的营养循环输送和废物循环排除，以保证肌肉驱动器的肌肉细胞在培养过程中始终保持足够的营养。

30、(4)肌肉驱动器使用3d打印方式制备在拉伸柱上，这样可以保证营养在同步构建系统中正常输送。与此同时，3d打印构建的肌肉驱动器可实现自动化构建，避免了人工操作引起的制备误差。并且，其可以精确控制细胞或生物材料等在整体三维结构的位置和组合，可通过静应力拉扯、喷嘴直径变小等方式促进肌肉驱动器内部肌纤维的方向性。

31、(5)可实现机械、电学双激励模式，主动式调控肌肉驱动器内部的肌纤维根据需要沿不同方向和角度生长；

32、(6)使用过氧化氢燃料电池同时实现供氧、供电的双供模式，氧气为肌肉驱动器实现供氧，产生的电是为同步构建系统内部的温度传感器、温度控制板、ph传感器等仅需要微弱电流的元器件供电。