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用动物肌肉造出的机器人,它们能干些什么?

时间: 2016年12月27日 | 作者: Victoria Webster | 来源: The Conversation
研究者正在把机器人学和组织工程学结合起来,开发用活体肌肉组织和细胞驱动的机器人。

提到机器人,人们可能会想象那些用金属和塑料制造的机器,例如由刚性材料组装的简单机器人。随着机器人走出实验室,应用范围不断扩大,这类刚性系统在人机交互过程中存在安全隐患。比如,工业机械臂撞到工人就很可能导致后者受伤。

 

使坚硬的机器变得像动物一样柔软和服帖是研究人员越来越关注的课题。这一设想可以通过将普通的促动装置(如发动机)与气动人工肌肉或弹簧连接来实现。例如Whegs系列机器人的构造就是用弹簧连接发动机和轮腿。一旦撞到障碍物(人类),弹簧会吸收撞击能量以免人们受伤。另外,扫地机器人的保险杆也采用弹簧支承,避免它在工作时损坏家具。

 

但部分研究独辟蹊径开创了新领域。将机器人学与组织工程学相结合,研究者正在研发用活体肌肉组织或细胞驱动的机器人。在电流或闪光刺激下,细胞收缩导致机器人躯干弯曲,从而带动机器人在水中游动或在陆地爬行。该类机器人可以自由行动且像动物一样柔软。与普通机器人相比,它们对周围的人类和环境更加安全。也正是因为类似于动物,它们不再依靠电池,而是用养分为肌肉细胞供能,从而减轻了自重。

 

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【图注】采用钛合金模具制造组织工程化的生物机器人。图片来源:Karaghen Hudson and Sung-Jin Park, CC BY-ND

 

制造生物机器人

 

研究人员在没有毒性的骨架上培养活体细胞(通常为大鼠和鸡的心脏或骨骼肌细胞),来制造生物机器人。骨架基质若采用高聚物材料,相应的机器人就可以被称作生物合成机器人——天然和人工材料的结合。

 

如果把细胞无序地排列在骨架上,它们会在任意方向收缩。这意味着细胞受到电刺激后产生的收缩力在各个方向上抵消,无法有效地牵引整个机器人运动。

 

为了合理利用细胞能量,研究人员采用了细胞微图形化技术(micropatterning)。在细胞易于附着的骨架基质上贴上或打印细微的导线,用于引导细胞分裂生长,使其最终按照特定的排列模式聚合在一起。这样细胞不再是一团乱麻,而是一个有序排列的整体,可以按研究人员的设计意图对骨架施加牵引力,从而驱动机器的“四肢”和“鳍”。

 

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组织工程化的光控软体机器鳐鱼。图片来源:Karaghen Hudson and Michael Rosnach, CC BY-ND

 

灵感源于动物的生物合成机器人

 

除了一系列生物合成机器人,研究人员还研发了全有机机器人。它们的骨架采用皮肤胶原蛋白等天然有机材料,而非高聚物材料。在电场刺激下运行。某些机器人的设计灵感源自医学组织工程,通过长腕足(或触手)支撑躯干前进。

 

另外一些机器人的原形来源于自然界,称为仿生合成机器人。加州理工学院的一个研究小组开发的一款机器人就是以水母为原形。这部名叫medusoid的机器人躯干四周设有一圈腕足。每只腕足都应用微图形技术以蛋白质导线引导细胞形成与活体海蜇类似的肌肉组织。当细胞收缩,腕足向内侧蜷曲,以推动该机器在营养液中游动。

 

近期,研究人员公布了他们驱动生物机器人的方法。哈佛大学的研究团队用基因经过了改造的心脏细胞,成功的让鳐鱼状机器人游动。经过改造的心脏细胞可对特定频率的光波刺激产生收缩反应——鳐鱼机器人“鱼”身两侧细胞分别对两种不同频率的光波产生反应。

 

研究人员将光线照射在鳐鱼头部,该部位细胞收缩并放出电信号。随着信号沿“鱼”身传播,途径细胞相继收缩,从而推动机器前进。研究人员通过改变光波频率时鳐鱼转向。若“鱼”身某侧细胞对某频率光波敏感,则该侧细胞收缩较为明显,使整体向该侧转动。

 

增强机器人环境适应力

 

生物合成机器人领域的进展确实振奋人心,但要让它们走出实验室投入实用,还面临重大问题。目前该类机器人寿命较短且承载能力较低,从而限制了它们的移动速度和工作性能。利用哺乳动物或鸟类细胞制造的机器人对环境要求非常苛刻。例如环境温度必须与生物体体温接近,且细胞需要依靠营养液维持功能。一种解决方法是将机器人长期密封在营养液中,保护细胞免受外界环境影响。

 

另一种方法是运用更强健的细胞作为驱动器。凯斯西储大学(Case Western Reserve University)利用习性强健的加州海蛞蝓(Aplysia californica)有望实现该方法。海蛞蝓栖息在滩涂区域,在一天的涨潮落潮循环中遭受剧烈温差和海水盐度变化。退潮后某些海蛞蝓会被困在潮坑中。太阳照射下坑内水分蒸发,温度上升。相反,下雨时海水盐度下降。涨潮时海蛞蝓又从潮坑中爬出。它们为了适应不断变化的环境而进化出强大的细胞。

 

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【图注】受海龟启发的生物合成机器人,由海蛞蝓肌肉细胞驱动。图片来源:Dr. Andrew Horchler, CC BY-ND

 

我们已经能够运用海蛞蝓组织驱动生物机器人,这意味着由弹性组织制造的机器人将具有更强的环境适应能力。其尺寸(约1.5英尺长,1英尺宽)足以承受适当的载荷。

 

研发生物机器人的又一挑战是缺乏集成化的控制系统。目前,工程师仅仅通过电场和光来进行外部控制。为实现全自动生物机器人的构想,我们将依赖与肌肉有直接接口,且为自身提供感官输入的控制器。其中一种是被称作神经中枢(ganglia)的有机控制器,由神经元和神经节构成。

 

这也是我们运用加州海蛞蝓的原因之一。它们数十年以来一直被当作神经生物学研究的模型系统。关于海蛞蝓神经系统和肌肉之间关系的研究已相当充分,在此基础上我们将利用神经元开发有机控制器,从而操控机器人的移动方式,让它们可以胜任搜寻有毒物质或追踪光源等任务。

 

虽然生物合成机器人领域的研究还处在起步阶段,科学家们早已描绘出该技术在应用中的腾飞。例如可以将这些微型机器人批量投放到水源或海洋,用于搜寻有毒物质或探测管道泄漏。这些传感器具有较好的生物相容性,能够被降解或被野生动物摄入并消化。与传统的硬性机器人相比,它们不会对环境造成危害。

 

未来可能用人体组织制造出医疗用机器人。它们可以靶向给药、清理血栓,或作为可驱动的血管内支架。该支架能够强化血管从而避免患动脉瘤,它们的基质为有机材料而非人工合成材料,因此一段时间后可与人体融合。除了上述小型生物机器人,相关研究已经开始探索制造血管系统。肌肉驱动的大型机器人时代即将到来。

 

撰文 | Victoria Webster

翻译 | 张尧

 

原文链接:https://theconversation.com/biohybrid-robots-built-from-living-tissue-start-to-take-shape-62759

 


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