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沈自所微纳米组成果获国际著名期刊Biophysical Journal亮点论文发表

发布:opticsOJ    |    2018-01-14 13:28    阅读:151
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Biophysical Journal以亮点论文的形式发表了沈阳自动化所在类生命机器人领域取得的最新成果

近日,国际著名学术杂志Biophysical Journal(中科院二区Top类期刊)以亮点论文的形式发表了中国科学院沈阳自动化研究所微纳米课题组在类生命机器人领域取得的最新成果(Dynamic Model for Characterizing Contractile Behaviors and Mechanical Properties of a Cardiomyocyte, Biophysical Journal, Vol.114(1), pp.188-200, 2018. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.bpj.2017.11.002, http://www.cell.com/biophysj/home)。 Biophysical Journal每期选出具有重要原创性成果的学术论文,刊登于当期网站首页作为亮点成果进行推荐。这是继Small,Lab on a Chip,Soft Matter,Biophysical Journal,IEEE Transactions on Nanobioscience等封面论文和IEEE Transactions on Biomedical Engineering等亮点论文之后,沈阳自动化所微纳米课题组科研成果再次获得国际权威期刊特别报道,表明了沈阳自动化所在机器人领域不断取得新进步,创新能力及国内外影响力稳步提升。

类生命机器人是近十年来机器人领域新兴的前沿研究方向,核心是将离体生命单元与传统的机电结构在分子、细胞和组织尺度上进行深度有机的物理和信息融合,形成一种新型的基于生命功能机制的机器人系统,从而使机器人能够兼具生命系统的优势和传统机电系统的优点,如生物体的高能量转换效率、本质安全性,以及机电系统的高强度、高重复性等特点。类生命机器人有望解决和克服目前制约机器人发展的技术瓶颈和挑战,如能源转化率低、缺乏本质安全和柔顺驱动控制、作业灵活性差等问题,因此吸引了国际上科学家的研究兴趣,成为目前机器人研究的新热点。近些年来,国际类生命机器人研究已经取得了显著的成果,但是仍聚焦于基于细胞和组织的生物驱动实现上,在控制上也主要是基于光和电的简单速度和方向控制上。由于缺乏对基于细胞生物驱动的模型理论研究,使得类生命机器人面临运动控制、动力学匹配等关键问题和技术挑战。

沈阳自动化所微纳米课题组针对上述问题提出了一种基于肌细胞亚细胞结构的细胞机械动力学模型,描述肌细胞跳动的动力学行为。Biophysical Journal特别报道图片为本研究示意图:以弹簧、变阻尼和电动机等机电部件模拟心肌细胞的亚细胞结构,从而获得单个心肌细胞的机械动力学模型。在实验验证中,利用扫描离子电导显微镜获取细胞跳动曲线,进而根据所测得的细胞动态曲线辨识出细胞理论机械动力学模型系统的参数,从而获得单个活体细胞亚细胞结构的多维物理机电特性(细胞亚结构的粘性、弹性、质量和动作电位)。由于扫描离子电导显微镜具有对生物样本无损检测的特性,同时采用基于活体肌细胞亚细胞结构的建模方法,可实现单细胞亚细胞结构的多维多模态物理特性(粘性、弹性、质量、动作电位)的原位无损同步获取,为以肌细胞为驱动单元的类生命机器人的动力学匹配及控制技术方法研究奠定了理论和技术基础。

沈阳自动所微纳米课题组专注于信息科学、微纳米技术、生物技术与机电系统的融合,期望利用物理和生物原理融合的研究思想,实现机器人感知、驱动、智能和控制等性能的提升。围绕上述思想,课题组先后在Nature Communications,Small,ACS Applied Materials & Interfaces,Lab on a Chip,Nanoscale,IEEE Trans系列汇刊等国际知名期刊发表系列论文,研究布局逐步系统化、体系化,为未来取得更好的成果奠定了工作基础。

本研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院、机器人学国家重点实验室的大力支持。

来源:中国科学院沈阳自动化研究所

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