美国生物混合机器人

邵川 占知智库
2025年01月09日

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近期，美国国防高级研究计划局 （Defense Advanced Research Projects Agency） 国防科学办公室 （Defense Sciences Office） 发布了一份关于生物混合机器人研究概念的提案请求。

项目背景

机器人平台被部署在各种国家安全环境中，但许多作战环境和应用仍然是现有技术无法企及的。大自然为机器人技术的发展提供了灵感和解决方案，但即使机器人系统变得越来越复杂，生物系统的性能在很大程度上仍然无法与之匹敌。最近，工程学和生物学的融合推动了生物混合机器人的发展，这种机器人结合了生物和合成元件。与传统的合成机器人相比，生物混合系统在某些作战环境中具有明显的优势。完全工程化的非生物系统优先考虑按需性能的可控性和精确性，而生物系统则在弹性、灵敏度、适应性和效率方面具有与生俱来的优势。生物混合机器人旨在通过利用工程部件的精确控制，同时利用生物元素与生俱来的独特能力，将这两个领域的最佳特性结合起来。成功集成生物元件（如细胞、组织或生物体）可扩展机器人系统的功能。

尽管生物混合机器人具有巨大潜力，但目前它们通常不如完全合成的机器人表现优异，其性能也未能达到从组成成分的还原论断中预测的潜力。许多系统仅是具有吸引力的概念验证，实际应用性有限。大多数系统仍局限于受控的实验室环境中，在复杂的真实世界环境中缺乏可行性。开发生物混合机器人目前是一个痛苦且定制化的过程，最终的系统通常没有得到充分的表征。组件、接口和系统性能之间复杂且相互交织的关系理解不足，缺乏指导生物混合系统设计的明确方法论。

技术目标

HyBRIDS ARC 机会旨在通过理解和控制合成和⽣物组件的集成来实现所需的新兴系统特性，解决阻碍可部署⽣物混合机器⼈系统开发的重⼤⼯程和设计障碍。阻碍⽣物混合机器⼈技术发展的关键技术挑战，以及潜在的研究领域，包括但不限于：

• 生物组件 集成到机器人平台。超越容易获得且特征明确的生物材料需要创新。有必要系统地评估可能的成分并开发方法来修饰生物材料，以增强系统集成或其他特性。

• 整合生物和合成材料的稳健设计方法。需要改进的计算机辅助方法来表示、分析和预测系统级和组件级属性和性能之间的关系。

• 实现和定量表征界⾯的⽅法。⽅法应该系统地测量⼀段时间内的性能，以实现传输信息、能量、负载和材料的弹性多向接口。

• 克服常⻅部署障碍的技术。专注于引出有针对性的新兴特性的强⼤、可重复的策略可以帮助解决⼤规模的共同需求，例如保持⽣物组件的运⾏完整性。

调查⽅法应具有定量性、可复制性、可重现性，并可推⼴到不同的规模和应⽤领域。在可能的情况下，应使⽤适⽤于多种系统的⽅法和指标，以便尽可能进⾏直接⽐较或验证。如果成功，结果将使⽣物混合系统的能⼒超越传统机器⼈，从⽽能够在提供独特或改进功能的领域中发挥作⽤。

应努⼒定量探索⽣物混合机器⼈设计中的新兴⽅法，这些⽅法将推动范式转变，在苛刻、复杂的环境中实现实际应⽤。此机会不寻求仅仅增加额外功能或逐步增强⽣物混合机器⼈现有功能的提案。即使提案可能适⽤于单个模型或⽰例系统，但仅专注于推进单个组件或特定系统的提案不在范围内。此 ARC 机会旨在尽可能具有包容性；但是，提出的想法应该解决适当的范围，在努⼒结束时有明确的可交付成果，包括研究的具体实际应⽤。

就本次 ARC 机会⽽⾔，⽣物混合机器⼈被定义为配备有执⾏器、传感器和控制机制的⽀架，使其能够以⾃主或半⾃主的⽅式与周围环境互动，这是通过将功能性⼯程组件与⽣物材料和组件融合实现。完全合成的系统，包括⽣物启发和仿⽣机器⼈，不在范围内。

研究挑战与方向

生物组件集成

• 挑战：现有生物混合机器人通常使用现成且经过充分表征的生物材料，这些材料的性能和特性已为人所知，但其功能和应用范围有限，难以满足复杂作战环境的需求。

• 研究方向：需要创新地评估和探索更多可能的生物组件，如不同类型的细胞、组织或生物体等，以扩展生物混合机器人的功能和应用领域.同时，要开发有效的方法来修改和优化这些生物材料，使其更好地与机器人平台集成，提升系统的整体性能和适应性。

鲁棒设计方法

• 挑战：目前缺乏系统化和标准化的设计方法来指导生物和合成材料的集成，导致生物混合机器人的开发过程复杂且难以预测，难以实现高效、稳定和可靠的系统设计。

• 研究方向：需要改进和开发先进的计算机辅助设计方法，建立更为精确的模型和算法，以全面表示和分析生物混合系统的结构、功能和性能。通过模拟和预测系统和组件级别属性与性能之间的复杂关系，优化设计方案，提高系统的鲁棒性和适应性，使其能够在各种环境条件下稳定运行。

接口实现与量化表征

• 挑战：生物组件与合成材料之间的接口是生物混合机器人的关键部分，但目前对这些接口的理解和控制不足，难以实现高效、稳定和多向的信息、能量、负载和物质传输。

• 研究方向：应系统地研究和开发新的接口技术，设计和制造能够适应不同生物和合成材料特性的接口结构和材料。同时，建立有效的量化表征方法，实时监测和评估接口的性能，确保其在长时间运行和复杂环境中的可靠性和稳定性。

克服部署障碍的技术

• 挑战：生物混合机器人在实际部署过程中面临诸多障碍，如生物组件的生存和稳定性问题、系统的维护和修复难度大、成本高等，限制了其在大规模和复杂环境中的应用。

• 研究方向：需要开发鲁棒、可重复的策略和技术，以解决这些部署障碍。例如，研究生物组件的长期生存和稳定性机制，开发高效的系统维护和修复方法，降低系统的制造和运营成本等。通过这些努力，提高生物混合机器人在实际应用中的可行性和可靠性，使其能够在更广泛的领域中发挥作用。

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