生物机器人离我们有多远

作者：韩文畅 班级：1402019 学号：14020199001

【嵌牛导读】：听到机器人，大多数人脑中浮现的是一堆金属塑料零件组成的硬邦邦玩意儿——它们通常是由各种螺母螺栓拼装成的硬体机器人。当下，机器人正走出实验室，走进老百姓的日常生活承担各项任务。对与机器人打交道的人来说，这样的硬体设计会造成安全风险。比方说，当一个工业机器人“不小心碰到”人类工人，其后果不是开玩笑的——轻则淤血乌青，重则伤筋动骨。

【嵌牛鼻子】：生物机器人 安全问题

【嵌牛提问】：生物机器人离我们有多远？

【嵌牛正文】：

1 如何应对硬体机器人的安全风险？

        全世界的工程师们，越来越倾向于让机器人更柔软、顺从的设计方案——外表不再是坚硬的机械，而更接近于“身轻体柔易推倒”的小动物。对于马达这样的传统驱动器，这意味着使用人造“空气肌肉”或是在传动系统加入弹簧结构。又比如凯斯西储大学的Whegs机器人，它马达和足轮之间有一个弹簧装置。撞到人时，弹簧能吸收一部分能量，降低人身伤害。Roomba扫地机器人是另一个例子，它的保险杠由弹簧承载，不会破坏撞到的东西（类似汽车的翼子板）。

        但是一个发展中的研究领域决定另辟蹊径，研究人员们通过把机器人技术和生物组织工程结合，开始用活的肌肉组织、细胞制造机器人。通过光、电刺激让细胞收缩，研究人员能控制机器人肢体的弯曲，使它们作出划水、爬行等动作。这样制造出来的生物机器人体态柔软，跟动物很类似。对于在人的身边工作，这类机器人显然更安全。而且，相比传统机器人，它们对环境的破坏更小。另外，生物机器人主要使用营养来补充能量，不需要大型电池组。这使它们比硬体机器人更轻。

2 如何开发生物机器人？

        研究人员通过繁殖细胞来制造生物机器人。一般他们会选用鸡、老鼠的心肌或者骨骼肌，在对活细胞无毒副作用的支架上进行增殖。如果基板材质是高分子聚合物（polymer），制造出来的就是生物合成机器人——天然材料和人造材料的混合体。

        但是，如果把细胞组织直接放置到模制骨架上，会造成前者在各个方向的“野蛮生长”。这意味着，用电刺激让它们动作时，细胞组织的收缩力量会均匀应用于各个方向——根本无法精确控制，而且效率低下。

        为了更好控制细胞的力量，研究人员求助于细胞图案化技术（micropatterning）。他们用细胞喜欢攀附其上的材质，把微尺度线条印在骨架上。这些线条起到向导作用——细胞组织倾向于沿着它生长。于是，研究人员获得了符合设计图案的细胞排列，如何把肌肉收缩力量施加于基板变得可控。因此，所有细胞能够协作起来，使生物机器人的腿或者鳍能够像动物那样动作，而不是一块受到刺激就胡乱收缩的肉团。

3 仿生合成生物机器人

        除了各种生物合成机器人，研究人员们还通过只使用天然材料，创造出了一些“纯”生物机器人——基板的高分子聚合物被皮肤胶原取代，成为机器人的躯体。当它们受到电刺激，可以爬行或游泳。有研究人员受到医学组织工程技术的启发，开发出能使用直角手臂（悬臂）向前移动的机器人。

        还有学者从自然界获得灵感，创造出仿生生物合成机器人。比如，一支加州理工学院的团队开发出仿生水母机器人“medusoid”，它有环形排列的触手。借助细胞图案化技术，每一只触手都有打印的蛋白质线条，使细胞按照类似于真实水母肌肉组织的方式排列。细胞收缩时，触手向内弯曲，推动水母机器人向前游动。

        最近，哈佛大学的研究人员们展示了如何“驾驭”生物合成机器人。他们使用转基因心脏细胞，制作出一个仿生魔鬼鱼（蝠鲼）机器人，并能让它游动。这些经过基因编辑的心肌细胞，能对特定频率的光线做出反应——机器人一侧的细胞按照一个频率，另外一侧是另一个频率，这样就能通过光线变化控制游动的左右方向。至于向前游动，当研究人员把光线投射到机器人前部，那里的细胞会收缩，并把电信号沿鱼体传递下去。鱼体由首至尾的交替收缩运动，推动机器人前进。

4 更强壮的生物机器人

        虽然生物合成机器人领域已经有了许多突破性进展，但把这些机器人商业化并投入使用的时机远未成熟。目前，这些机器人产品寿命短、力量输出小，极大限制了处理各项任务的速度和能力。另外，使用鸟类和哺乳动物细胞开发的机器人对环境十分敏感。举例来说，环境温度必须保持与生物体温接近。还有，和动物一样，细胞需要定期补充营养——喂营养液。一个潜在的解决方案是：把生物机器人包装起来（类似皮肤对人的保护），所以外部环境的影响不再那么致命，营养液的补充也可以建立起一个内部系统（就像为人体细胞提供营养的血液循环系统）。

        另外一个方案是：使用更皮实的细胞作为驱动器。最近在凯斯西储大学，学者们通过研究生命力顽强的海蜗牛（Aplysia californica），探索它的可行性。海蜗牛栖息于潮间带，每天都会经历巨幅温差和盐度差。退潮时，有的海蜗牛会困在浅滩，水分会随光照蒸发。下雨时，周围环境的盐浓度又会巨幅下降。为适应复杂多变的栖息地状况，海蜗牛进化出坚硬的壳来保护自己。研究人员实现了把海蜗牛肌肉组织作为驱动器，来驱动生物合成机器人。这意味着，我们能用这些更强壮的细胞组织来制造生物机器人。雷锋网获悉，目前该机器人已能搬运不大的物体——1.6英寸长1英寸宽。

5 挑战与展望

        生物机器人的另一大挑战是，目前还没有研发出任何一种机载控制系统（装在机器人上）。工程师们只能通过外部电场或者光线控制它们。为了开发出完全自主的生物合成机器人，我们需要能直接与机器人肌肉组织交流、并提供传感器输入的控制器。看似最直接的方案（难度可能也最大）是：使用神经元或神经元集群组成的神经中枢，来作为生物控制器。

        这是研究人员为什么对海蜗牛那么在意的另一个原因：它被神经生物学研究当作模型系统，已有很多年。它的神经系统与肌肉之间的关系已经研究得比较透彻。这为把它的神经元作为生物控制器打开了大门。将来，研究人员希望能借助生物控制器，告诉机器人怎么移动，并帮助它处理各种任务，比如说寻找有毒物质和跟随灯光。

        合成生物领域正处在婴儿期，但研究人员们已为它设想了许多应用场景。比如说，可以造出一批使用海蜗牛组织的迷你机器人，然后把一大群释放到水库或者海水里，搜寻水管泄露或者有毒物质。由于这些机器人由生物组织制成，如果它们坏掉、或者被海鱼吃掉，并不会对环境造成很大影响。

        将来，使用人类细胞制造的生物机器人可被应用于医疗领域，它们可以进行靶向药物输送、处理血栓，或成为可控制、可调节的血管支架。这些迷你机器人装置能强化衰弱的血管，来预防动脉瘤。由于使用生物介质，而不是高分子聚合物，它们能被重新调整，并随时间成为患者身体的一部分。另外，生物组织工程学的进展（比如开发人造血液循环系统）很可能打开一扇新的大门：靠肌肉行动的大型生物机器人。