由活體組織和細胞構(gòu)成的生物機器人

　　說到傳統(tǒng)的機器人，你可能會想到由金屬和塑料制成的一些東西。這種由螺帽和螺栓拼裝起來的機器人是由硬金屬制成的。

　　隨著機器人在試驗室之外的領(lǐng)域承擔的任務(wù)越來越多，這種死板的系統(tǒng)可能會給人類帶來巨大的安全隱患。例如，如果一臺工業(yè)機器人撞到人，那很可能會造成瘀傷甚至骨折的后果。

　　人類已經(jīng)開始研究如何讓機器人變得更安全或更柔順，從冰冷的機器變成柔順的寵物。

　　與電動機這樣的傳統(tǒng)致動器配合使用時，就像使用空氣肌肉或者給電動機加上彈簧一樣。

　　例如，Whegs機器人就是在電動機和輪腿之間加上了一個彈簧，如果機器人撞到其他東西比如人，彈簧就可以起到減震和緩沖的作用，這樣人就不會受傷了。Roomba吸塵機器人就是另一個例子，它也安裝了緩沖器，因此當它撞到家具時也不會損壞家具。

　　但是現(xiàn)在人們開始朝著另一個方向研究了，人們想把機器人與活體組織結(jié)合在一起，研制出能夠利用活體肌肉組織或細胞致動的機器人。這些機器人可以利用電子信號或者光線來激活，讓細胞組織與它們的骨骼連接在一起，從而讓機器人作出各種動作。

　　這種機器人可以像動物一樣四處走動，而且軀體會是軟的。在與人類共處的時候，它們也會比傳統(tǒng)的機器人更加安全，對周圍的環(huán)境造成的危害也會比較小。當然，既然像動物一樣由活體組織或細胞構(gòu)成，它們也需要攝取營養(yǎng)以維持肌肉的活性。從重量的角度上來說，這種生物機器人會比傳統(tǒng)機器人更輕盈一些。

　　研究員們正在通過培育活體細胞來研制生物機器人，他們用來培育活體細胞的材料通常是老鼠或小雞的心臟肌肉或骨骼肌肉，培育載體是對細胞組織無損害的支架。如果以高分子材料作培育基板，那么他們研制出來的設(shè)備就是生物機器人，一種介于天然材料和人造材料之間的混合體。

　　如果只是將細胞放在一個模具骨骼上而不加以引導(dǎo)，那么它們發(fā)育的方向就是隨機的。這意味著當研究員們利用電子信號讓它們移動的時候，細胞組織的收縮力就會是散發(fā)性的，這就會降低生物機器人的執(zhí)行效率。

　　所以為了更好地控制細胞組織產(chǎn)生的力，研究員們轉(zhuǎn)向微成型技術(shù)。我們在細胞組織附著的骨骼上刻下或印上微小的線條，它們就會引導(dǎo)著細胞組織按照預(yù)定好的模式生長。

　　控制了細胞組織的生長方向之后，研究員們就可以控制細胞組織施加到基板上的力的大小和方向，從而控制生物機器人的動作。

　　生物機器人的創(chuàng)意來自動物

　　除了大批生物混合型機器人之外，研究員們甚至利用純天然材料研制出一些完全由活體組織構(gòu)成的機器人。有些機器人在電場的刺激下可以做出爬行或游泳的動作。有些機器人的開發(fā)靈感則來自于醫(yī)學組織工程技術(shù)，它們利用長長的矩形手臂來拖動自己前進。

　　還有一些研究員從自然界尋找開發(fā)靈感，他們開發(fā)出各種仿生混合機器人。例如，加州技術(shù)學院的一群研究員開發(fā)出一種類似于水母的生物混合機器人，他們稱之為“水母機器人”的這種設(shè)備周圍安裝了一圈的手臂，每一條手臂都用蛋白質(zhì)材料刻印了微型模型，就像活體水母的肌肉一樣。當細胞組織收縮的時候，這些手臂就會向內(nèi)彎曲，推動生物混合機器人在富含營養(yǎng)物質(zhì)的液體中向前移動。

　　最近，研究員們又展示了如何控制生物混合機器人。哈佛大學的一個研究團隊利用基因改良的心臟細胞讓一種外形酷似蝠鲼的仿生機器人游泳。這些心臟細胞會根據(jù)光線的頻率做出不同的回應(yīng)，不同位置的細胞對應(yīng)的頻率也是不同的。

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

　　雖然人類已經(jīng)在生物混合機器人領(lǐng)域取得了令人振奮的研究成果，但是要想讓這些設(shè)備走出試驗室，還有很多重要的工作要做?，F(xiàn)在的生物混合機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。由哺乳類動物或鳥類動物的細胞制成的機器人對環(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，而且細胞也需要定期用營養(yǎng)豐富的液體滋養(yǎng)。其中一種解決方案是將這些生物混合機器人包裝起來，讓肌體不會受到外界環(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健的細胞組織來作致動器。凱斯西儲大學正在研究使用堅硬的深海生物海蝸牛的細胞來制作生物混合機器人致動器的可能性。因為海蝸牛生活在潮間地帶，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，海蝸牛就會被困在潮水留下的水洼中。當太陽升起之后，環(huán)境溫度會不斷上升，水洼中的水分被蒸發(fā)掉之后，周圍環(huán)境含鹽濃度也會不斷上升。而在下雨的時候，情況剛好相反，周圍環(huán)境的含鹽濃度會因為被雨水稀釋而下降。當潮水再次來臨的時候，海蝸牛才能從水洼中被解放出來。因此，海蝸牛在不斷進化的過程中形成了非常堅硬的細胞組織以適應(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器人的行動，這說明我們可以利用這種抗性極強的組織來研制更堅固的生物機器人。這種生物機器人可以搬起大約1.5英寸長1英寸寬的小塊重物。

　　人們在開發(fā)生物機器人時遇到的另一個重要問題是這類設(shè)備缺乏一種板上控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在，工程師們是通過外界電場或光線來控制它們。為了開發(fā)出完全自動化的生物混合機器人，我們還需要能與肌肉組織直接交互以及為生物混合機器人提供感應(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。

　　這也是我們對于能夠?qū)⒑Ｎ伵Ｓ糜谠囼炇已芯扛械脚d奮的另一項重要原因。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。人們已經(jīng)知道了很多關(guān)于它的神經(jīng)系統(tǒng)與肌肉之間的關(guān)系的知識，這就讓我們用它的神經(jīng)元來作為組織控制器成為了可能。

　　雖然這個領(lǐng)域的研究工作還處于非常早期的階段，但是研究員們已經(jīng)可以設(shè)想出生物混合機器人的許多應(yīng)用前景了。例如，我們利用蛞蝓組織研制的微型生物混合機器人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，即便它們被野生動物撕碎或者吃掉，也不會像傳統(tǒng)的機器人那樣造成環(huán)境破壞或環(huán)境污染。

　　有朝一日，這些機器人可能會用人體細胞制成并用于醫(yī)療領(lǐng)域。生物機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血管壁的強度，避免形成動脈瘤；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。

　　除了目前正在開發(fā)的小型生物混合機器人之外，人類對于組織工程技術(shù)的研究也會為研制出大型生物機器人創(chuàng)造機會。