說到傳統(tǒng)的機(jī)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(jī)器人是由硬金屬制成的。
隨著機(jī)器人在試驗(yàn)室之外的領(lǐng)域承擔(dān)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(jī)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(jī)器人變得更安全或更柔順，從冰冷的機(jī)器變成柔順的寵物。
與電動機(jī)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(jī)加上彈簧一樣。
例如，Whegs機(jī)器人就是在電動機(jī)和輪腿之間加上了一個彈簧，如果機(jī)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(jī)器人就是另一個例子，它也安裝了緩沖器，因此當(dāng)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(jī)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(xì)胞致動的機(jī)器人。這些機(jī)器人可以利用電子信號或者光線來激活，讓細(xì)胞組織與它們的骨骼連接在一起，從而讓機(jī)器人作出各種動作。
這種機(jī)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(jī)器人更加安全，對周圍的環(huán)境造成的危害也會比較小。當(dāng)然，既然像動物一樣由活體組織或細(xì)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(jī)器人會比傳統(tǒng)機(jī)器人更輕盈一些。
研究員們正在通過培育活體細(xì)胞來研制生物機(jī)器人，他們用來培育活體細(xì)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(xì)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(jī)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(xì)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(jī)的。這意味著當(dāng)研究員們利用電子信號讓它們移動的時候，細(xì)胞組織的收縮力就會是散發(fā)性的，這就會降低生物機(jī)器人的執(zhí)行效率。
所以為了更好地控制細(xì)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(xì)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(xì)胞組織按照預(yù)定好的模式生長。
控制了細(xì)胞組織的生長方向之后，研究員們就可以控制細(xì)胞組織施加到基板上的力的大小和方向，從而控制生物機(jī)器人的動作。
生物機(jī)器人的創(chuàng)意來自動物
除了大批生物混合型機(jī)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(jī)器人。有些機(jī)器人在電場的刺激下可以做出爬行或游泳的動作。有些機(jī)器人的開發(fā)靈感則來自于醫(yī)學(xué)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(jìn)。
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(jī)器人。例如，加州技術(shù)學(xué)院的一群研究員開發(fā)出一種類似于水母的生物混合機(jī)器人，他們稱之為“水母機(jī)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(dāng)細(xì)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(jī)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(jī)器人。哈佛大學(xué)的一個研究團(tuán)隊(duì)利用基因改良的心臟細(xì)胞讓一種外形酷似蝠鲼的仿生機(jī)器人游泳。這些心臟細(xì)胞會根據(jù)光線的頻率做出不同的回應(yīng)，不同位置的細(xì)胞對應(yīng)的頻率也是不同的。
當(dāng)研究員們用不同的光線去照射這種機(jī)器人時，細(xì)胞就會收縮并向蝠鲼身體不同位置的細(xì)胞發(fā)出電子信號，這種收縮力會沿著機(jī)器人的軀體傳遞，推動機(jī)器人前進(jìn)。研究員們已經(jīng)可以利用不同頻率的光線來控制機(jī)器人向左轉(zhuǎn)或向右轉(zhuǎn)。如果加強(qiáng)光線的強(qiáng)度，對應(yīng)細(xì)胞產(chǎn)生的收縮力就會變強(qiáng)，這樣研究員就能控制機(jī)器人四處移動了。
雖然人類已經(jīng)在生物混合機(jī)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(yàn)室，還有很多重要的工作要做?，F(xiàn)在的生物混合機(jī)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(xì)胞制成的機(jī)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(xì)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(jī)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(qiáng)健的細(xì)胞組織來作致動器。凱斯西儲大學(xué)正在研究使用堅(jiān)硬的深海生物海蝸牛的細(xì)胞來制作生物混合機(jī)器人致動器的可能性。因?yàn)楹Ｎ伵Ｉ钤诔遍g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(dāng)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?yàn)楸挥晁♂尪陆怠．?dāng)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(jìn)化的過程中形成了非常堅(jiān)硬的細(xì)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(jī)器人的行動，這說明我們可以利用這種抗性極強(qiáng)的組織來研制更堅(jiān)固的生物機(jī)器人。這種生物機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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?yàn)室研究感到興奮的另一項(xiàng)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(jī)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(jī)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(jī)器人那樣造成環(huán)境破壞或環(huán)境污染。
有朝一日，這些機(jī)器人可能會用人體細(xì)胞制成并用于醫(yī)療領(lǐng)域。生物機(jī)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(qiáng)血管壁的強(qiáng)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(jī)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(jī)器人創(chuàng)造機(jī)會。
