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  • 生物机器人来了 活体细胞颠覆机器人定义

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    • 时间:2016-08-24
    • 来源: 界面
    • 编译:lx
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       机器人,顾名思义,是可以执行任务的机器装置。然而,随着其承担的实验室之外的角色越来越多,多为硬材料(金属、塑料)制成的传统机器人的刚性系统与其周遭的人类和环境互不兼容,安全隐患也越来越大。
     
      对此,科学家们期望通过增添生物元素解决该问题,比如在传统制动器中增加气动人工肌肉或弹簧来增加缓冲力度。然而,国外新兴起的一股将机器人技术与(生物)组织工程学相结合的科研潮流,则提出了另一种解决方案,即研发由活体肌肉组织或细胞驱动的机器人,学名“生物合成机器人(Biohybrid Robots)”。
     
      这种机器人的制动器为活体细胞,细胞在受到光或电刺激后,发生收缩带动躯体弯曲,以完成相关动作或移动。它可像动物那样柔软地四处行动,与传统机器人相比,它对人和环境来说十分安全。因此,比其它高功率重量比的制动器更安全。此外,生物合成机器人的燃料来源仅是周围介质中的养分。
     
      7月上旬,美国哈佛大学生物工程和应用科学部门推出了全球首个生物合成机器人——“机器鳐鱼(robo-ray)”。
     
      
    全球首个生物合成机器人——机器鳐鱼(robo-ray)
     
      鳐鱼的游泳技术一直备受自然学家和工程学家的赞赏,秘密就在于其平整圆滑的形状和起伏运动的胸鳍,以及游动时产生的一种名为“前缘涡”的力量。该团队通过对鳐鱼的生理机能进行逆向工程,创造出了长16毫米,重10克的微型机器人,看上去就像是一个透明硬币和一个尾巴的组合。
     
      
    自然界的鳐鱼
     
      该团队首先使用一层透明的弹性聚合物做为主干部分;将大鼠心脏细胞以蛇形图案均匀分布在表面,再对细胞进行基因编码,使其对特定的蓝色闪光产生反应;用黄金制成支撑骨架,因为黄金对附着其上的细胞无抑制作用。
     
      
    机器鳐鱼的结构图和工作原理图
     
      为供养“机器鳐鱼”中的活体细胞,研究人员把它放进充满糖的生理盐水中,并以蓝色的光脉冲对其电击。大鼠心脏细胞沿着蛇形的图案按序收缩,带动整个躯体发生弯曲,模拟了鳐鱼游泳时的涟漪效应。最重要的是,它推动了“机器鳐鱼”的前进。
     
      为更好地控制细胞力量,科研人员使用了细胞图案化技术(微图形化技术),即在细胞依附的骨架上标出或印上微尺度线条。细胞沿线条整齐排列,这些线能随着细胞的成长指导它们。当所有细胞都完成排列后,研究人员可以控制细胞的收缩力如何在衬底上应用,有条不紊地驱动特定部分。
     
      
    左侧为机器鳐鱼,右侧为鳐鱼。
     
      此外,研究人员还可以通过改变光的频率来控制机器鳐鱼的移动方向,因“鱼身”两侧的细胞所响应的光的频率各不相同,如果以某一特定频率的光照射“鱼身”,那么只有一侧的细胞会产生收缩,以此完成转向动作,避开障碍物。
     
      虽然生物合成机器人领域的起步令人十分兴奋,但距其能走出实验室还有很多的工作要做。
     
      目前这种机器人多由哺乳动物或鸟类细胞驱动,这些细胞对环境的要求非常挑剔,环境温度必须与生物体温相近,并且细胞需要定期喂养营养物质。因此它们的使用寿命十分有限,输出力小,限制了它们的速度和完成任务的能力。这就造成了目前的生物合成机器人多被全副武装与外部环境隔绝,并一直浸润在营养液中,无法走出实验室的局面。
     
      近日,美国凯斯西储大学(Case Western Reserve University)的研究成果则打破了这一局面,该团队选择了更为健壮的生物活体细胞作为机器人制动器,并使用神经节作为有机控制器。
     
      
    海蛞蝓Aplysia californica
     
      一种名为Aplysia californica的加州海蛞蝓,因生存力极强而闻名。该生物生活在潮间带区,它可在一天之内经受周边环境大幅的温度和盐度变化。当潮水退去时,海蛞蝓会被潮水带至浅水滩并可能受困。在潮水再次来临前,海蛞蝓一直都经受着高温蒸发水分或大雨降低水的碱度等严峻挑战。为适应如此极端多变的栖息地,海蛞蝓进化出了高抗性的强壮细胞。
     
      
    受海龟启发的生物合成爬行机器人,由海蛞蝓的肌肉细胞驱动。
     
      凯斯西储大学的科研团队通过提取海蛞蝓口腔内所有的12块肌肉或口块的细胞,与3D打印出的柔软部件一起,创造出了一个长1.5英寸(约38.1毫米),宽1寸(约33毫米)的可模拟海龟爬行的生物合成机器人。通过外部电场刺激,蛞蝓的肌肉细胞可驱动机器人移动。
     
      
    长1.5英寸,宽1寸。
     
      “我们创造出一个活着的机器,是一个没有完全有机化的生物合成机器人,只是暂时没有。”该项目领导人Victoria Webster说。
     
      此外,生物合成机器人领域目前还面临着另一个挑战——缺乏控制系统。与传统机器人不同,生物合成机器人必须通过外部光电场控制,没有直接与肌肉相连的控制器接口,为其本身提供感官输入。
     
      几十年来,这种海蛞蝓的神经系统一直是生物学所研究的范式,它的神经系统和肌肉之间的关系已经被研究地很透彻。为使未来的生物合成机器人实现自主运动,该科研团队主张使用海蛞蝓的神经元作为有机神经元控制器,可使用化学或电刺激诱导神经使肌肉收缩,从而向机器人传达指令,比如发现毒素或跟着光走,帮助其完成任务。
     
      “有了神经元,肌肉细胞可以完成更为复杂的运动,相比人工控制,它具备自主学习的能力。”Webster说。
     
      科研人员认为,尽管生物合成机器人领域仍处于起步阶段,外形上也和仿生机器人区别不大,但其极具发展前景。
     
      未来,在探索领域,可使用生物合成机器人成群进入水源或海洋,寻找飞行数据记录器黑匣子、毒素源头或泄漏的管道。由于设备间的生物相容性,就算它们被其他野生生物分解或吃掉,理论上来说,这些机器人不会像传统机器人那样对环境造成威胁。在医疗应用,生物合成机器人还可提供有针对性的药物输送,或清理血栓,或作为可兼容的可切换支架。通过使用有机基质而不是聚合物。这样的生物合成支架可以加强薄弱的血管,防止动脉瘤。随着时间的推移,设备甚至可能被改造并融入身体。
     
      除了正在开发的小型生物合成机器人,目前科学家们也正在探索细胞驱动大型机器人的可能性。
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