微型3D打印設備背包將昆蟲變成遙控機器人

2022年9月9日，南極熊獲悉，日本理化學研究所新興物質科學中心（CEMS）的研究人員，使用3D打印技術創(chuàng)造了一種設備，可將蟑螂轉化為可遠程控制的機器人。

△研究人員采用3D打印技術制造的神經(jīng)控制背包

該團隊的小型設備背包，由一種彈性聚合物3D打印而成，以緊貼昆蟲彎曲的外殼，還可以攜帶運動控制模塊和太陽能電池。通過這些裝置，通過電刺激蟑螂的大腦獲得實時導航指令，并且還配備了太陽能電池，可以持續(xù)獲得機器人的控制權。

理化學研究所的Masataka Sasabe說："保持電池電量的充足，是推進該研究的核心技術，因為沒有人希望自己的機械蟑螂突然到處游蕩。雖然，可以通過建立充電樁電池充電，但是考慮到長遠的發(fā)展，機器機載蟑螂會因在返回的途中，不能順利完成既定的任務和耽擱時間。因此，最好的解決方案是機載一塊太陽能電池，可以持續(xù)保持充電狀態(tài)"。

△該團隊提到的有機太陽能電池模塊結構

機器搜救昆蟲？
CEMS的科學家們，引用了南洋理工大學去年進行的半機械人昆蟲研究，稱可控昆蟲在未來的城市搜索和救援工具中具有巨大的潛力。從理論上講，該團隊認為這些小生物，可以用來幫助人類探索無法進入的危險區(qū)域。但他們補充說，目前該技術在為微型控制設備持續(xù)供電方面，仍然還有很多技術需要解決。

為了盡可能的減少這些機器人返回基地充電，因此，科學家們采用能量收集技術，盡可能的在移動中充電。雖然酶生物燃料電池的最高記錄輸出為333 μW，并且在之前的研究中已證明足以控制蟑螂，但CEMS團隊目前表示，太陽能設計可以在這個基礎上提高到10mW。

考慮到這一點，研究人員將主要問題的突破點，尋找可以將太陽能電池和導航裝置固定在昆蟲身上的方法，而不會給昆蟲帶來太大的負面影響或損害行為能力。

CEMS科學家在他們的研究論文中解釋說：“要將設備集成到表面積有限，并且承載負載很小昆蟲中并非易事，需要大面積太陽能電池的優(yōu)化設計和集成策略。由于太陽能電池的輸出功率與面積成正比，因此，設備的負載與活動關節(jié)之間的接觸，都會大大削弱運動能力?！?br />

△3D打印技術，可以解決蟑螂在通過障礙物時遇到的問題

將蟑螂變成遙控機器人
首先科學家們采用了馬達加斯加蟑螂，這是世界上最大的蟑螂之一，身體長達7厘米。使用Formlabs的Form 3 3D打印機和Elastic 50A材料制造他們的3D打印背包，既可以適應昆蟲身體彎曲的靈活性，又可以為電子設備提供理想的安裝平臺。

研究人員發(fā)現(xiàn)能夠將一個4微米厚的有機太陽能電池模塊，安裝在昆蟲的腹部，它可以產(chǎn)生約4.2伏的電力輸出。這個電荷可以用來為一個無線模塊供電，該模塊能夠接收來自外部服務器的信號，并通過電擊大腦讓蟑螂遵守這些信號。

在早期的障礙物通過測試環(huán)節(jié)中，太陽能電池被證明太厚或僵硬地連接在一起，這種方式減緩了它們的速度，并使它們難以自我糾正。然而，通過用一種樹脂粘合劑取代3微米厚的薄膜將電池固定住，該團隊發(fā)現(xiàn)他們的昆蟲機械人要靈活得多。

當涉及到充電性能時，經(jīng)測試太陽能電池模塊，能夠在充滿電后為設備供電兩小時。因此，研究人員得出的結論是，他們的方法是一種有效的“將電子設備安裝在蟑螂身上的設計策略”，這可能有助于 “擴大機械昆蟲的活動范圍和實現(xiàn)多種功能。”

△該團隊的研究題目為“將超軟有機太陽能電池，集成在具有完整移動能力的半機械人昆蟲身上”的論文中獲得更多內(nèi)容（傳送門）

制造半機械人蟑螂可能是3D打印研究的小眾領域，但該技術也被用于開發(fā)人類思維控制和大腦治療設備。Renishaw 公司的3D打印神經(jīng)注射給藥裝置，目前已取得了重大進展，該裝置是Renishaw 與Herantis Pharma共同開發(fā)的一個平臺，用于治療帕金森癥，目前已經(jīng)完成了臨床試驗。

在其他地方，去年在 Aston大學開展的一個項目中，科學家們探索了3D生物打印，在治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病方面的潛力。作為歐盟支持的Meso-Brain項目中的一部分，該團隊生成了定制的3D打印干細胞衍生神經(jīng)元，可用于開發(fā)新一代疾病建模和測試工具。