對此，科學(xué)家們期望通過增添生物元素解決該問題，比如在傳統(tǒng)制動器中增加氣動人工肌肉或彈簧來增加緩沖力度。然而，國外新興起的一股將機(jī)器人技術(shù)與（生物）組織工程學(xué)相結(jié)合的科研潮流，則提出了另一種解決方案，即研發(fā)由活體肌肉組織或細(xì)胞驅(qū)動的機(jī)器人，學(xué)名“生物合成機(jī)器人（Biohybrid Robots）”。

 

　　這種機(jī)器人的制動器為活體細(xì)胞，細(xì)胞在受到光或電刺激后，發(fā)生收縮帶動軀體彎曲，以完成相關(guān)動作或移動。它可像動物那樣柔軟地四處行動，與傳統(tǒng)機(jī)器人相比，它對人和環(huán)境來說十分安全。因此，比其它高功率重量比的制動器更安全。此外，生物合成機(jī)器人的燃料來源僅是周圍介質(zhì)中的養(yǎng)分。
 

　　7月上旬，美國哈佛大學(xué)生物工程和應(yīng)用科學(xué)部門推出了全球首個生物合成機(jī)器人——“機(jī)器鰩魚（robo-ray）”。

 

　　
全球首個生物合成機(jī)器人——機(jī)器鰩魚（robo-ray）

 

　　鰩魚的游泳技術(shù)一直備受自然學(xué)家和工程學(xué)家的贊賞，秘密就在于其平整圓滑的形狀和起伏運動的胸鰭，以及游動時產(chǎn)生的一種名為“前緣渦”的力量。該團(tuán)隊通過對鰩魚的生理機(jī)能進(jìn)行逆向工程，創(chuàng)造出了長16毫米，重10克的微型機(jī)器人，看上去就像是一個透明硬幣和一個尾巴的組合。

 

　　
自然界的鰩魚

 

　　該團(tuán)隊首先使用一層透明的彈性聚合物做為主干部分；將大鼠心臟細(xì)胞以蛇形圖案均勻分布在表面，再對細(xì)胞進(jìn)行基因編碼，使其對特定的藍(lán)色閃光產(chǎn)生反應(yīng)；用黃金制成支撐骨架，因為黃金對附著其上的細(xì)胞無抑制作用。

 

 

　　為供養(yǎng)“機(jī)器鰩魚”中的活體細(xì)胞，研究人員把它放進(jìn)充滿糖的生理鹽水中，并以藍(lán)色的光脈沖對其電擊。大鼠心臟細(xì)胞沿著蛇形的圖案按序收縮，帶動整個軀體發(fā)生彎曲，模擬了鰩魚游泳時的漣漪效應(yīng)。最重要的是，它推動了“機(jī)器鰩魚”的前進(jìn)。

 

　　為更好地控制細(xì)胞力量，科研人員使用了細(xì)胞圖案化技術(shù)（微圖形化技術(shù)），即在細(xì)胞依附的骨架上標(biāo)出或印上微尺度線條。細(xì)胞沿線條整齊排列，這些線能隨著細(xì)胞的成長指導(dǎo)它們。當(dāng)所有細(xì)胞都完成排列后，研究人員可以控制細(xì)胞的收縮力如何在襯底上應(yīng)用，有條不紊地驅(qū)動特定部分。

 

　　
左側(cè)為機(jī)器鰩魚，右側(cè)為鰩魚。

 

　　此外，研究人員還可以通過改變光的頻率來控制機(jī)器鰩魚的移動方向，因“魚身”兩側(cè)的細(xì)胞所響應(yīng)的光的頻率各不相同，如果以某一特定頻率的光照射“魚身”，那么只有一側(cè)的細(xì)胞會產(chǎn)生收縮，以此完成轉(zhuǎn)向動作，避開障礙物。

 

　　雖然生物合成機(jī)器人領(lǐng)域的起步令人十分興奮，但距其能走出實驗室還有很多的工作要做。

 

　　目前這種機(jī)器人多由哺乳動物或鳥類細(xì)胞驅(qū)動，這些細(xì)胞對環(huán)境的要求非常挑剔，環(huán)境溫度必須與生物體溫相近，并且細(xì)胞需要定期喂養(yǎng)營養(yǎng)物質(zhì)。因此它們的使用壽命十分有限，輸出力小，限制了它們的速度和完成任務(wù)的能力。這就造成了目前的生物合成機(jī)器人多被全副武裝與外部環(huán)境隔絕，并一直浸潤在營養(yǎng)液中，無法走出實驗室的局面。

 

　　近日，美國凱斯西儲大學(xué)（Case Western Reserve University）的研究成果則打破了這一局面，該團(tuán)隊選擇了更為健壯的生物活體細(xì)胞作為機(jī)器人制動器，并使用神經(jīng)節(jié)作為有機(jī)控制器。

 

　　
海蛞蝓Aplysia californica

 

　　一種名為Aplysia californica的加州海蛞蝓，因生存力極強(qiáng)而聞名。該生物生活在潮間帶區(qū)，它可在一天之內(nèi)經(jīng)受周邊環(huán)境大幅的溫度和鹽度變化。當(dāng)潮水退去時，海蛞蝓會被潮水帶至淺水灘并可能受困。在潮水再次來臨前，海蛞蝓一直都經(jīng)受著高溫蒸發(fā)水分或大雨降低水的堿度等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為適應(yīng)如此極端多變的棲息地，海蛞蝓進(jìn)化出了高抗性的強(qiáng)壯細(xì)胞。

 

　　
受海龜啟發(fā)的生物合成爬行機(jī)器人，由海蛞蝓的肌肉細(xì)胞驅(qū)動。

 

　　凱斯西儲大學(xué)的科研團(tuán)隊通過提取海蛞蝓口腔內(nèi)所有的12塊肌肉或口塊的細(xì)胞，與3D打印出的柔軟部件一起，創(chuàng)造出了一個長1.5英寸（約38.1毫米），寬1寸（約33毫米）的可模擬海龜爬行的生物合成機(jī)器人。通過外部電場刺激，蛞蝓的肌肉細(xì)胞可驅(qū)動機(jī)器人移動。

 

　　
長1.5英寸，寬1寸。

 

　　“我們創(chuàng)造出一個活著的機(jī)器，是一個沒有完全有機(jī)化的生物合成機(jī)器人，只是暫時沒有。”該項目領(lǐng)導(dǎo)人Victoria Webster說。

 

　　此外，生物合成機(jī)器人領(lǐng)域目前還面臨著另一個挑戰(zhàn)——缺乏控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)機(jī)器人不同，生物合成機(jī)器人必須通過外部光電場控制，沒有直接與肌肉相連的控制器接口，為其本身提供感官輸入。

 

　　幾十年來，這種海蛞蝓的神經(jīng)系統(tǒng)一直是生物學(xué)所研究的范式，它的神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉之間的關(guān)系已經(jīng)被研究地很透徹。為使未來的生物合成機(jī)器人實現(xiàn)自主運動，該科研團(tuán)隊主張使用海蛞蝓的神經(jīng)元作為有機(jī)神經(jīng)元控制器，可使用化學(xué)或電刺激誘導(dǎo)神經(jīng)使肌肉收縮，從而向機(jī)器人傳達(dá)指令，比如發(fā)現(xiàn)毒素或跟著光走，幫助其完成任務(wù)。

 

　　“有了神經(jīng)元，肌肉細(xì)胞可以完成更為復(fù)雜的運動，相比人工控制，它具備自主學(xué)習(xí)的能力。”Webster說。

 

　　科研人員認(rèn)為，盡管生物合成機(jī)器人領(lǐng)域仍處于起步階段，外形上也和仿生機(jī)器人區(qū)別不大，但其極具發(fā)展前景。

 

　　未來，在探索領(lǐng)域，可使用生物合成機(jī)器人成群進(jìn)入水源或海洋，尋找飛行數(shù)據(jù)記錄器黑匣子、毒素源頭或泄漏的管道。由于設(shè)備間的生物相容性，就算它們被其他野生生物分解或吃掉，理論上來說，這些機(jī)器人不會像傳統(tǒng)機(jī)器人那樣對環(huán)境造成威脅。在醫(yī)療應(yīng)用，生物合成機(jī)器人還可提供有針對性的藥物輸送，或清理血栓，或作為可兼容的可切換支架。通過使用有機(jī)基質(zhì)而不是聚合物。這樣的生物合成支架可以加強(qiáng)薄弱的血管，防止動脈瘤。隨著時間的推移，設(shè)備甚至可能被改造并融入身體。

 

　　除了正在開發(fā)的小型生物合成機(jī)器人，目前科學(xué)家們也正在探索細(xì)胞驅(qū)動大型機(jī)器人的可能性。