生物混合機(jī)器人：除了金屬和塑料，機(jī)器人也可以擁有活體細(xì)胞和組織

提到機(jī)器人，我們腦海中浮現(xiàn)的通常是金屬、塑料材質(zhì)的機(jī)器人。這種機(jī)器人是傳統(tǒng)機(jī)器人的代表，但隨著科技的發(fā)展，越來越多的機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室，這種堅(jiān)硬材質(zhì)的機(jī)器人也許會(huì)給接觸他們的人類帶來傷害。比如，當(dāng)一個(gè)飛行機(jī)器人向你飛來，你肯定會(huì)下意識地躲閃，害怕流血受傷。

現(xiàn)在，越來越多研究人員開始尋找辦法來讓機(jī)器人變得更加柔軟、更加呆萌，越來越像動(dòng)物。對于那些裝有傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)器人來說，這就意味著讓他們裝上肌肉或是在發(fā)動(dòng)機(jī)上裝上彈簧。比如，在掃地機(jī)器人Roomba上安裝減震彈簧，就能很好地減少避免它對使用者的傷害。

不過，現(xiàn)在有團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，采取了另外一種方式來讓機(jī)器人更加人畜無害：將動(dòng)物組織與機(jī)器人結(jié)合在一起。他們正在大力打造由生物肌肉組織和細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人。這些設(shè)備可以由電或者光驅(qū)動(dòng)，讓細(xì)胞與骨骼結(jié)合，從而能讓機(jī)器人游泳或者爬行。這些機(jī)器人能夠自由移動(dòng)，并像動(dòng)物一樣柔軟。相比傳統(tǒng)機(jī)器人，他們對使用者和環(huán)境更加安全。此外，它們不僅外表像動(dòng)物，生理機(jī)能也更像動(dòng)物，需要營養(yǎng)素，而不是電池來供應(yīng)能量。因此，它們也比傳統(tǒng)機(jī)器人更輕。

打造生物機(jī)器人

要打造生物機(jī)器人，研究人員首先會(huì)提取老鼠或是小雞的心臟或是骨骼肌。如果基質(zhì)是聚合物，那么他們打造出來的設(shè)備便是生物混合機(jī)器人：由自然和人造物質(zhì)共同組成的混合機(jī)器人。

如果你簡單地將細(xì)胞放到已成型的骨骼中，那么細(xì)胞就可以開始肆無忌憚地成長。這就意味著當(dāng)研究者用電流來讓細(xì)胞移動(dòng)時(shí)，細(xì)胞的壓力方向?qū)⑹请S意的，這樣就會(huì)大大降低設(shè)備的效率。

因?yàn)椋瑸榱烁玫乩眉?xì)胞的能量，研究人員開始將目光轉(zhuǎn)向了微縮成像。他們利用3D打印打造了特定的骨骼模型，這樣細(xì)胞一旦被放置入內(nèi)，就會(huì)根據(jù)骨骼的形狀生長。這樣一來，細(xì)胞便打破了混亂生長的狀態(tài)，提升設(shè)備成型的效率。

靈感來自動(dòng)物

除了生物混合機(jī)器人，研究人員還打造了純生物機(jī)器人。這些機(jī)器人的原材料完全來自動(dòng)物（比如生物皮膚的膠原蛋白），而不是一些聚合物，它們中的一些可以在電場中爬行或游泳。研究人員從醫(yī)學(xué)組織工程技術(shù)中獲取靈感，并利用長長的矩形手臂或是懸臂來推動(dòng)它們前進(jìn)。

另外一些研究者從自然中汲取靈感，打造生物驅(qū)動(dòng)的生物混合機(jī)器人。例如，來自加州理工學(xué)院的一支研究團(tuán)隊(duì)從水母中得到靈感，開發(fā)了一款生物混合機(jī)器人。研究團(tuán)隊(duì)將這款機(jī)器人稱為“水母類機(jī)器人”，它有著能夠繞城圓圈的手臂，他們稱之為“水母機(jī)器人”，它的周圍安裝了一圈手臂，每條手臂都用蛋白質(zhì)材料刻印了微型模型，就像活體水母的肌肉一樣。當(dāng)細(xì)胞組織收縮的時(shí)候，這些手臂就會(huì)向內(nèi)彎曲，推動(dòng)生物混合機(jī)器人在富含營養(yǎng)物質(zhì)的液體中向前移動(dòng)。

最近，研究員們又展示了如何控制生物雜交機(jī)器人。哈佛大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)利用基因改良的心臟細(xì)胞，讓一種外形酷似蝠鲼的仿生機(jī)器人游泳。這些心臟細(xì)胞會(huì)根據(jù)光線的頻率做出不同的回應(yīng)，不同位置的細(xì)胞對應(yīng)的頻率也是不同的。

當(dāng)研究員們用不同的光線去照射這種機(jī)器人時(shí)，細(xì)胞就會(huì)收縮并向蝠鲼身體不同位置的細(xì)胞發(fā)出電子信號，這種收縮力會(huì)沿著機(jī)器人的軀體傳遞，推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。研究員們已經(jīng)可以利用不同頻率的光線來控制機(jī)器人向左轉(zhuǎn)或向右轉(zhuǎn)。如果加強(qiáng)光線的強(qiáng)度，對應(yīng)細(xì)胞產(chǎn)生的收縮力就會(huì)變強(qiáng)，這樣研究員就能控制機(jī)器人四處移動(dòng)了。

路漫漫其修遠(yuǎn)兮

雖然人類已經(jīng)在生物混合機(jī)器人領(lǐng)域碩果頗豐，但是要想讓這些設(shè)備走出試驗(yàn)室，還有很長一段路要走。現(xiàn)在的生物混合機(jī)器人的使用壽命還比較有限，輸出的力量也不大，這就限制了它們的速度和完成各種任務(wù)的能力。由哺乳類動(dòng)物或鳥類動(dòng)物的細(xì)胞制成的機(jī)器人對環(huán)境條件的要求也是很挑剔的。

例如，周圍環(huán)境溫度必須與生物肌體溫度接近，而且細(xì)胞也需要定期用營養(yǎng)豐富的液體滋養(yǎng)。要解決這個(gè)問題，研究人員已經(jīng)想出了兩種方法。

其中一種解決方案是將這些生物混合機(jī)器人包裝起來，讓肌體不會(huì)受到外界環(huán)境的破壞并且還能一直浸潤在營養(yǎng)液中。

另一種解決方案是利用更強(qiáng)健的細(xì)胞組織來作致動(dòng)器。凱斯西儲大學(xué)正在研究堅(jiān)硬的深海生物海蝸牛，用它們的細(xì)胞來制作生物混合機(jī)器人致動(dòng)器。因?yàn)楹Ｎ伵Ｉ钤诔遍g地帶，因此可以經(jīng)受溫度和環(huán)境含鹽濃度在一天之中發(fā)生巨大的變化。退潮后，海蝸牛就會(huì)被困在潮水留下的水洼中。當(dāng)太陽升起之后，環(huán)境溫度會(huì)不斷上升，水洼中的水分被蒸發(fā)掉之后，周圍環(huán)境含鹽濃度也會(huì)不斷上升。而在下雨的時(shí)候，情況剛好相反，周圍環(huán)境的含鹽濃度會(huì)因?yàn)楸挥晁♂尪陆怠．?dāng)潮水再次來臨的時(shí)候，海蝸牛才能從水洼中被解放出來。因此，海蝸牛在不斷進(jìn)化的過程中形成了非常堅(jiān)硬的細(xì)胞組織以適應(yīng)這種多變的環(huán)境。

我們已經(jīng)能夠用海蝸牛的活體組織來控制生物混合機(jī)器人的行動(dòng)，這說明我們可以利用這種抗性極強(qiáng)的組織來研制更堅(jiān)固的生物機(jī)器人。這種生物機(jī)器人可以搬起大約1.5英寸長1英寸寬的小塊重物。

現(xiàn)在，在開發(fā)生物機(jī)器人時(shí)遇到的另一個(gè)重要問題是：這類設(shè)備缺乏一種板上控制系統(tǒng)。現(xiàn)在，工程師們通過外界電場或光線來控制它們。為了開發(fā)出完全自動(dòng)化的生物混合機(jī)器人，我們還需要能與肌肉組織直接交互，并能為生物混合機(jī)器人提供感應(yīng)器信號輸入的控制器。其中一種設(shè)想是利用神經(jīng)元或神經(jīng)簇來作組織控制器。

這也是為什么我們?nèi)绱丝春煤Ｎ伵Ｔ诖祟I(lǐng)域的應(yīng)用。這種海蝸牛被作為模型系統(tǒng)用于神經(jīng)生物研究已有數(shù)十年的歷史。人們對于它的神經(jīng)系統(tǒng)與肌肉之間的關(guān)系研究已經(jīng)有了不小的收獲，這讓我們用它的神經(jīng)元來作為組織控制器成為了可能。

雖然這個(gè)領(lǐng)域的研究還處于非常早期的階段，但是研究人員對于此領(lǐng)域的前景信心滿滿。例如，已經(jīng)有研究團(tuán)隊(duì)利用蛞蝓組織研究出了微型生物混合機(jī)器人，它可以被用來尋找有害物質(zhì)，或檢查管道泄漏情況。從理論上來說，由于這類設(shè)備的生物兼容性，即便它們被野生動(dòng)物撕碎或者吃掉，也不會(huì)像傳統(tǒng)的機(jī)器人那樣造成環(huán)境破壞或環(huán)境污染。

有朝一日，這些機(jī)器人可能會(huì)用人體細(xì)胞制成并用于醫(yī)療領(lǐng)域。生物機(jī)器人可以用于定向給藥、清除栓塞或者作為可控支架來使用。這類支架使用的是組織基板而非多分子材料，因此它們可以用來增強(qiáng)血管壁的強(qiáng)度，避免形成動(dòng)脈瘤；并且這些設(shè)備未來還有可能繼續(xù)改造和完善，并被整合到人體之中。

因此，生物機(jī)器人的研究確實(shí)前景一片燦爛，不過要讓它真正造福我們的生活，仍然路漫漫且修遠(yuǎn)兮。

 Via:IEEE

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