用動物肌肉造出的機器人，它們能幹些什麼？

採用鈦合金模具製造組織工程化的生物機器人。圖片來源：Karaghen Hudson and Sung-Jin Park, CC BY-ND

撰文 Victoria Webster

翻譯 張堯

提到機器人，人們可能會想像那些用金屬和塑料製造的機器，例如由剛性材料組裝的簡單機器人。隨著機器人走出實驗室，應用範圍不斷擴大，這類剛性系統在人機交互過程中存在安全隱患。比如，工業機械臂撞到工人就很可能導致後者受傷。

使堅硬的機器變得像動物一樣柔軟和服帖是研究人員越來越關注的課題。這一設想可以通過將普通的促動裝置（如發動機）與氣動人工肌肉或彈簧連接來實現。例如Whegs系列機器人的構造就是用彈簧連接發動機和輪腿。一旦撞到障礙物（人類），彈簧會吸收撞擊能量以免人們受傷。另外，掃地機器人的保險桿也採用彈簧支承，避免它在工作時損壞傢具。

但部分研究獨闢蹊徑開創了新領域。將機器人學與組織工程學相結合，研究者正在研發用活體肌肉組織或細胞驅動的機器人。在電流或閃光刺激下，細胞收縮導致機器人軀幹彎曲，從而帶動機器人在水中遊動或在陸地爬行。該類機器人可以自由行動且像動物一樣柔軟。與普通機器人相比，它們對周圍的人類和環境更加安全。也正是因為類似於動物，它們不再依靠電池，而是用養分為肌肉細胞供能，從而減輕了自重。

製造生物機器人

研究人員在沒有毒性的骨架上培養活體細胞（通常為大鼠和雞的心臟或骨骼肌細胞），來製造生物機器人。骨架基質若採用高聚物材料，相應的機器人就可以被稱作生物合成機器人——天然和人工材料的結合。

如果把細胞無序地排列在骨架上，它們會在任意方向收縮。這意味著細胞受到電刺激後產生的收縮力在各個方向上抵消，無法有效地牽引整個機器人運動。

為了合理利用細胞能量，研究人員採用了細胞微圖形化技術（micropatterning）。在細胞易於附著的骨架基質上貼上或列印細微的導線，用於引導細胞分裂生長，使其最終按照特定的排列模式聚合在一起。這樣細胞不再是一團亂麻，而是一個有序排列的整體，可以按研究人員的設計意圖對骨架施加牽引力，從而驅動機器的「四肢」和「鰭」。

組織工程化的光控軟體機器鰩魚。圖片來源：Karaghen Hudson and Michael Rosnach, CC BY-ND

靈感源於動物的生物合成機器人

除了一系列生物合成機器人，研究人員還研發了全有機機器人。它們的骨架採用皮膚膠原蛋白等天然有機材料，而非高聚物材料。在電場刺激下運行。某些機器人的設計靈感源自醫學組織工程，通過長腕足（或觸手）支撐軀幹前進。

另外一些機器人的原形來源於自然界，稱為仿生合成機器人。加州理工學院的一個研究小組開發的一款機器人就是以水母為原形。這部名叫medusoid的機器人軀幹四周設有一圈腕足。每隻腕足都應用微圖形技術以蛋白質導線引導細胞形成與活體海蜇類似的肌肉組織。當細胞收縮，腕足向內側蜷曲，以推動該機器在營養液中遊動。

近期，研究人員公布了他們驅動生物機器人的方法。哈佛大學的研究團隊用基因經過了改造的心臟細胞，成功的讓鰩魚狀機器人遊動。經過改造的心臟細胞可對特定頻率的光波刺激產生收縮反應——鰩魚機器人「魚」身兩側細胞分別對兩種不同頻率的光波產生反應。

研究人員將光線照射在鰩魚頭部，該部位細胞收縮並放出電信號。隨著信號沿「魚」身傳播，途徑細胞相繼收縮，從而推動機器前進。研究人員通過改變光波頻率時鰩魚轉向。若「魚」身某側細胞對某頻率光波敏感，則該側細胞收縮較為明顯，使整體向該側轉動。

增強機器人環境適應力

生物合成機器人領域的進展確實振奮人心，但要讓它們走出實驗室投入實用，還面臨重大問題。目前該類機器人壽命較短且承載能力較低，從而限制了它們的移動速度和工作性能。利用哺乳動物或鳥類細胞製造的機器人對環境要求非常苛刻。例如環境溫度必須與生物體體溫接近，且細胞需要依靠營養液維持功能。一種解決方法是將機器人長期密封在營養液中，保護細胞免受外界環境影響。

另一種方法是運用更強健的細胞作為驅動器。凱斯西儲大學（Case Western Reserve University）利用習性強健的加州海蛞蝓（Aplysia californica）有望實現該方法。海蛞蝓棲息在灘涂區域，在一天的漲潮落潮循環中遭受劇烈溫差和海水鹽度變化。退潮後某些海蛞蝓會被困在潮坑中。太陽照射下坑內水分蒸發，溫度上升。相反，下雨時海水鹽度下降。漲潮時海蛞蝓又從潮坑中爬出。它們為了適應不斷變化的環境而進化出強大的細胞。

受海龜啟發的生物合成機器人，由海蛞蝓肌肉細胞驅動。圖片來源：Dr. Andrew Horchler, CC BY-ND

我們已經能夠運用海蛞蝓組織驅動生物機器人，這意味著由彈性組織製造的機器人將具有更強的環境適應能力。其尺寸（約1.5英尺長，1英尺寬）足以承受適當的載荷。

研發生物機器人的又一挑戰是缺乏集成化的控制系統。目前，工程師僅僅通過電場和光來進行外部控制。為實現全自動生物機器人的構想，我們將依賴與肌肉有直接介面，且為自身提供感官輸入的控制器。其中一種是被稱作神經中樞（ganglia）的有機控制器，由神經元和神經節構成。

這也是我們運用加州海蛞蝓的原因之一。它們數十年以來一直被當作神經生物學研究的模型系統。關於海蛞蝓神經系統和肌肉之間關係的研究已相當充分，在此基礎上我們將利用神經元開發有機控制器，從而操控機器人的移動方式，讓它們可以勝任搜尋有毒物質或追蹤光源等任務。

雖然生物合成機器人領域的研究還處在起步階段，科學家們早已描繪出該技術在應用中的騰飛。例如可以將這些微型機器人批量投放到水源或海洋，用於搜尋有毒物質或探測管道泄漏。這些感測器具有較好的生物相容性，能夠被降解或被野生動物攝入並消化。與傳統的硬性機器人相比，它們不會對環境造成危害。

未來可能用人體組織製造出醫療用機器人。它們可以靶向給葯、清理血栓，或作為可驅動的血管內支架。該支架能夠強化血管從而避免患動脈瘤，它們的基質為有機材料而非人工合成材料，因此一段時間後可與人體融合。除了上述小型生物機器人，相關研究已經開始探索製造血管系統。肌肉驅動的大型機器人時代即將到來。