除了金屬和塑料,機器人也可以擁有活體細胞和組織

作者 | 發布日期 2016 年 08 月 16 日 6:04 | 分類 尖端科技 , 機器人 follow us in feedly
雷鋒網配圖

提到機器人,我們腦海中浮現的通常是金屬、塑料材質的機器人。這種機器人是傳統機器人的代表,但隨著科技的發展,越來越多的機器人走出實驗室,這種堅硬材質的機器人也許會給接觸他們的人類帶來傷害。比如,當一個飛行機器人向你飛來,你肯定會下意識地躲閃,害怕流血受傷。



現在,越來越多研究人員開始尋找辦法來讓機器人變得更加柔軟、更加呆萌,越來越像動物。對於那些裝有傳統發動機的機器人來說,這就意味著讓他們裝上肌肉或是在發動機上裝上彈簧。比如,在掃地機器人Roomba 上安裝減震彈簧,就能減少避免它對使用者的傷害。

不過,現在有團隊另闢蹊徑,採取了另外一種方式來讓機器人更加人畜無害:將動物組織與機器人結合在一起。他們正在大力打造由生物肌肉組織和細胞驅動的機器人。這些設備可以由電或者光驅動,讓細胞與骨骼結合,從而能讓機器人游泳或者爬行。這些機器人能夠自由移動,並像動物一樣柔軟。相比傳統機器人,他們對使用者和環境更加安全。此外,它們不僅外表像動物,生理機能也更像動物,需要營養素,而不是電池來供應能量。因此,它們也比傳統機器人更輕。

 

打造生物機器人

要打造生物機器人,研究人員首先會提取老鼠或是小雞的心臟或是骨骼肌。如果基質是聚合物,那麼他們打造出來的設備便是生物混合機器人:由自然和人造物質共同組成的混合機器人。

如果你簡單地將細胞放到已成型的骨骼中,那麼細胞就可以開始肆無忌憚地成長。這就意味著當研究者用電流來讓細胞移動時,細胞的壓力方向將是隨意的,這樣就會大大降低設備的效率。

因為,為了更好地利用細胞的能量,研究人員開始將目光轉向了微縮成像。他們利用 3D 列印打造了特定的骨骼模型,這樣細胞一旦被放置入內,就會根據骨骼的形狀生長。這樣一來,細胞便打破了混亂生長的狀態,提升設備成型的效率。

 

靈感來自動物

除了生物混合機器人,研究人員還打造了純生物機器人。這些機器人的原材料完全來自動物(比如生物皮膚的膠原蛋白),而不是一些聚合物,它們中的一些可以在電場中爬行或游泳。研究人員從醫學組織工程技術中獲取靈感,並利用長長的矩形手臂或是懸臂來推動它們前進。

另外一些研究者從自然中汲取靈感,打造生物驅動的生物混合機器人。例如,來自加州理工學院的一支研究團隊從水母中得到靈感,開發了一款生物混合機器人。研究團隊將這款機器人稱為「水母類機器人」,它有著能夠繞成圓圈的手臂,他們稱之為「水母機器人」,它的周圍安裝了一圈手臂,每條手臂都用蛋白質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,這些手臂就會向內彎曲,推動生物混合機器人在富含營養物質的液體中向前移動。

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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,讓一種外形酷似蝠鱝的仿生機器人游泳。這些心臟細胞會根據光線的頻率做出不同的回應,不同位置的細胞對應的頻率也是不同的。

當研究員們用不同的光線去照射這種機器人時,細胞就會收縮並向蝠鱝身體不同位置的細胞發出電子訊號,這種收縮力會沿著機器人的軀體傳遞,推動機器人前進。研究員們已經可以利用不同頻率的光線來控制機器人向左轉或向右轉。如果加強光線的強度,對應細胞產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。

 

走出實驗室還有漫漫長路

雖然人類已經在生物混合機器人領域碩果頗豐,但是要想讓這些設備走出實驗室,還有很長一段路要走。現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的能力。由哺乳類動物或鳥類動物的細胞製成的機器人對環境條件的要求也是很挑剔的。

例如,周圍環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豐富的液體滋養。要解決這個問題,研究人員已經想出了兩種方法。

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境的破壞並且還能一直浸潤在營養液中。

另一種解決方案是利用更強健的細胞組織來做致動器。凱斯西儲大學正在研究堅硬的深海生物海蝸牛,用它們的細胞來製作生物混合機器人致動器。因為海蝸牛生活在潮間地帶,因此可以經受溫度和環境含鹽濃度在一天之中發生巨大的變化。退潮後,海蝸牛就會被困在潮水留下的水窪中。當太陽升起之後,環境溫度會不斷上升,水窪中的水分被蒸發掉之後,周圍環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,海蝸牛才能從水窪中被解放出來。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這種多變的環境。

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我們已經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製更堅固的生物機器人。這種生物機器人可以搬起大約 1.5 英吋長、1 英吋寬的小塊重物。

現在,在開發生物機器人時遇到的另一個重要問題是:這類設備缺乏一種板上控制系統。現在,工程師們透過外界電場或光線來控制它們。為了開發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,並能為生物混合機器人提供感應器訊號輸入的控制器。其中一種設想是利用神經元或神經簇來做組織控制器。

這也是為什麼我們如此看好海蝸牛在此領域的應用。這種海蝸牛被做為模型系統用於神經生物研究已有數十年的歷史。人們對於它的神經系統與肌肉之間的關係研究已經有了不小的收穫,這讓我們用它的神經元來做為組織控制器成為了可能。

雖然這個領域的研究還處於非常早期的階段,但是研究人員對於此領域的前景信心滿滿。例如,已經有研究團隊利用蛞蝓組織研究出了微型生物混合機器人,它可以被用來尋找有害物質,或檢查管道洩漏情況。從理論上來說,由於這類設備的生物兼容性,即便它們被野生動物撕碎或者吃掉,也不會像傳統的機器人那樣造成環境破壞或環境污染。

有朝一日,這些機器人可能會用人體細胞製成並用於醫療領域。生物機器人可以用於定向給藥、清除栓塞或者做為可控支架來使用。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;並且這些設備未來還有可能繼續改造和完善,並被整合到人體之中。

因此,生物機器人的研究確實前景一片燦爛,不過要讓它真正造福我們的生活,仍然路漫漫且修遠兮。

(本文由 雷鋒網 授權轉載) 

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