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  • 生物混合机器人:除了金属和塑料,机器人也可以拥有活体细胞和组织

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    • 时间:2016-08-15
    • 来源: IEEE
    • 编译:lx
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       提到机器人,我们脑海中浮现的通常是金属、塑料材质的机器人。这种机器人是传统机器人的代表,但随着科技的发展,越来越多的机器人走出实验室,这种坚硬材质的机器人也许会给接触他们的人类带来伤害。比如,当一个飞行机器人向你飞来,你肯定会下意识地躲闪,害怕流血受伤。
     
      现在,越来越多研究人员开始寻找办法来让机器人变得更加柔软、更加呆萌,越来越像动物。对于那些装有传统发动机的机器人来说,这就意味着让他们装上肌肉或是在发动机上装上弹簧。比如,在扫地机器人Roomba上安装减震弹簧,就能很好地减少避免它对使用者的伤害。
     
      不过,现在有团队另辟蹊径,采取了另外一种方式来让机器人更加人畜无害:将动物组织与机器人结合在一起。他们正在大力打造由生物肌肉组织和细胞驱动的机器人。这些设备可以由电或者光驱动,让细胞与骨骼结合,从而能让机器人游泳或者爬行。这些机器人能够自由移动,并像动物一样柔软。相比传统机器人,他们对使用者和环境更加安全。此外,它们不仅外表像动物,生理机能也更像动物,需要营养素,而不是电池来供应能量。因此,它们也比传统机器人更轻。
     
      打造生物机器人
     
      要打造生物机器人,研究人员首先会提取老鼠或是小鸡的心脏或是骨骼肌。如果基质是聚合物,那么他们打造出来的设备便是生物混合机器人:由自然和人造物质共同组成的混合机器人。
     
      如果你简单地将细胞放到已成型的骨骼中,那么细胞就可以开始肆无忌惮地成长。这就意味着当研究者用电流来让细胞移动时,细胞的压力方向将是随意的,这样就会大大降低设备的效率。
     
      因为,为了更好地利用细胞的能量,研究人员开始将目光转向了微缩成像。他们利用3D打印打造了特定的骨骼模型,这样细胞一旦被放置入内,就会根据骨骼的形状生长。这样一来,细胞便打破了混乱生长的状态,提升设备成型的效率。
     
      灵感来自动物
     
      除了生物混合机器人,研究人员还打造了纯生物机器人。这些机器人的原材料完全来自动物(比如生物皮肤的胶原蛋白),而不是一些聚合物,它们中的一些可以在电场中爬行或游泳。研究人员从医学组织工程技术中获取灵感,并利用长长的矩形手臂或是悬臂来推动它们前进。
     
      另外一些研究者从自然中汲取灵感,打造生物驱动的生物混合机器人。例如,来自加州理工学院的一支研究团队从水母中得到灵感,开发了一款生物混合机器人。研究团队将这款机器人称为“水母类机器人”,它有着能够绕城圆圈的手臂,他们称之为“水母机器人”,它的周围安装了一圈手臂,每条手臂都用蛋白质材料刻印了微型模型,就像活体水母的肌肉一样。当细胞组织收缩的时候,这些手臂就会向内弯曲,推动生物混合机器人在富含营养物质的液体中向前移动。
     
     
      最近,研究员们又展示了如何控制生物杂交机器人。哈佛大学的一个研究团队利用基因改良的心脏细胞,让一种外形酷似蝠鲼的仿生机器人游泳。这些心脏细胞会根据光线的频率做出不同的回应,不同位置的细胞对应的频率也是不同的。
     
      当研究员们用不同的光线去照射这种机器人时,细胞就会收缩并向蝠鲼身体不同位置的细胞发出电子信号,这种收缩力会沿着机器人的躯体传递,推动机器人前进。研究员们已经可以利用不同频率的光线来控制机器人向左转或向右转。如果加强光线的强度,对应细胞产生的收缩力就会变强,这样研究员就能控制机器人四处移动了。
     
      路漫漫其修远兮
     
      虽然人类已经在生物混合机器人领域硕果颇丰,但是要想让这些设备走出试验室,还有很长一段路要走。现在的生物混合机器人的使用寿命还比较有限,输出的力量也不大,这就限制了它们的速度和完成各种任务的能力。由哺乳类动物或鸟类动物的细胞制成的机器人对环境条件的要求也是很挑剔的。
     
      例如,周围环境温度必须与生物肌体温度接近,而且细胞也需要定期用营养丰富的液体滋养。要解决这个问题,研究人员已经想出了两种方法。
     
      其中一种解决方案是将这些生物混合机器人包装起来,让肌体不会受到外界环境的破坏并且还能一直浸润在营养液中。
     
      另一种解决方案是利用更强健的细胞组织来作致动器。凯斯西储大学正在研究坚硬的深海生物海蜗牛,用它们的细胞来制作生物混合机器人致动器。因为海蜗牛生活在潮间地带,因此可以经受温度和环境含盐浓度在一天之中发生巨大的变化。退潮后,海蜗牛就会被困在潮水留下的水洼中。当太阳升起之后,环境温度会不断上升,水洼中的水分被蒸发掉之后,周围环境含盐浓度也会不断上升。而在下雨的时候,情况刚好相反,周围环境的含盐浓度会因为被雨水稀释而下降。当潮水再次来临的时候,海蜗牛才能从水洼中被解放出来。因此,海蜗牛在不断进化的过程中形成了非常坚硬的细胞组织以适应这种多变的环境。
     
     
      我们已经能够用海蜗牛的活体组织来控制生物混合机器人的行动,这说明我们可以利用这种抗性极强的组织来研制更坚固的生物机器人。这种生物机器人可以搬起大约1.5英寸长1英寸宽的小块重物。
     
      现在,在开发生物机器人时遇到的另一个重要问题是:这类设备缺乏一种板上控制系统。现在,工程师们通过外界电场或光线来控制它们。为了开发出完全自动化的生物混合机器人,我们还需要能与肌肉组织直接交互,并能为生物混合机器人提供感应器信号输入的控制器。其中一种设想是利用神经元或神经簇来作组织控制器。
     
      这也是为什么我们如此看好海蜗牛在此领域的应用。这种海蜗牛被作为模型系统用于神经生物研究已有数十年的历史。人们对于它的神经系统与肌肉之间的关系研究已经有了不小的收获,这让我们用它的神经元来作为组织控制器成为了可能。
     
      虽然这个领域的研究还处于非常早期的阶段,但是研究人员对于此领域的前景信心满满。例如,已经有研究团队利用蛞蝓组织研究出了微型生物混合机器人,它可以被用来寻找有害物质,或检查管道泄漏情况。从理论上来说,由于这类设备的生物兼容性,即便它们被野生动物撕碎或者吃掉,也不会像传统的机器人那样造成环境破坏或环境污染。
     
      有朝一日,这些机器人可能会用人体细胞制成并用于医疗领域。生物机器人可以用于定向给药、清除栓塞或者作为可控支架来使用。这类支架使用的是组织基板而非多分子材料,因此它们可以用来增强血管壁的强度,避免形成动脉瘤;并且这些设备未来还有可能继续改造和完善,并被整合到人体之中。
     
      因此,生物机器人的研究确实前景一片灿烂,不过要让它真正造福我们的生活,仍然路漫漫且修远兮。
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