得益于科學(xué)家對(duì)人類身體的研究，機(jī)器文明又取得了一項(xiàng)進(jìn)步。
利用對(duì)人類脊髓的研究成果，伊利諾伊大學(xué)香檳分校研究人員使用3D打印技術(shù)制造出柔軟骨架上，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)了由肌肉和脊髓組織提供動(dòng)力的小型步行機(jī)器人“spinobots”。該校細(xì)胞與發(fā)育生物學(xué)教授、研究帶頭人Martha Gillette說，雖然過去已經(jīng)有生物機(jī)器人可以通過簡(jiǎn)單的肌肉收縮來前進(jìn)，但脊髓的增加讓它們有了更自然的行走節(jié)奏。
Gillette說：“這些都是朝著交互式生物設(shè)備方向前進(jìn)的開始，同時(shí)這些生物設(shè)備也可用于神經(jīng)計(jì)算和恢復(fù)醫(yī)學(xué)。”。
研究以Emergence of functional neuromuscular junctions in an engineered, multicellular spinal cord-muscle bioactuator(一種工程化多細(xì)胞脊髓肌肉生物激勵(lì)器中功能性神經(jīng)肌肉連接的發(fā)現(xiàn))為題，發(fā)表在了《APL生物工程》雜志上。
他們假設(shè)，一個(gè)完整的大鼠腰脊髓段可以與工程化的3D肌肉組織形成功能性神經(jīng)肌肉連接，模擬周圍神經(jīng)系統(tǒng)的部分發(fā)育。
為了制造spinobots，研究人員首先用3D打印出聚乙二醇骨架：2個(gè)充作腿的柱狀結(jié)構(gòu)和1條靈活的“脊梁”，直徑只以毫米計(jì)。然后，他們用肌肉細(xì)胞將其植入其中，待其生長(zhǎng)成肌肉組織。最后，他們?yōu)槠涮砑恿藖碜源笫蟮难导顾琛?/div>
論文第一作者Collin Kaufman說：“我們特別選擇了腰椎脊髓，因?yàn)橹暗难芯恳呀?jīng)證明，它包含了控制行走過程中下肢左右交替的神經(jīng)回路。從工程的角度來看，神經(jīng)元是驅(qū)動(dòng)更復(fù)雜、更協(xié)調(diào)的肌肉運(yùn)動(dòng)所必需的。神經(jīng)支配最具挑戰(zhàn)性的障礙是，以前從來沒有人培養(yǎng)過完整的嚙齒動(dòng)物脊髓。”
實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了他們的假設(shè)，在脊髓被引入肌肉組織的7天內(nèi)，就形成了功能性神經(jīng)肌肉連接，從而在體外形成了早期周圍神經(jīng)系統(tǒng)。新神經(jīng)支配的肌肉表現(xiàn)出自發(fā)的收縮，可以通過骨骼腿部的位移來測(cè)量。在化學(xué)刺激下，脊髓肌肉系統(tǒng)以一致的頻率模式開始肌肉抽搐。
總的來說，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，大鼠脊髓能夠在離體之后與工程肌肉組織形成功能性神經(jīng)肌肉連接。
下一步，研究人員計(jì)劃進(jìn)一步完善自旋機(jī)器人的動(dòng)作，使它們的步態(tài)更自然。研究人員希望這種小范圍的脊髓整合是建立外周神經(jīng)系統(tǒng)體外模型的第一步，這在活體病人或動(dòng)物模型中是很難研究的。
Kaufman說：“體外培養(yǎng)的外周神經(jīng)系統(tǒng)——脊髓、神經(jīng)生長(zhǎng)和神經(jīng)支配肌肉——的發(fā)展，可以讓研究人員更容易接觸到所有受影響的成分，實(shí)時(shí)研究ALS等神經(jīng)退行性疾病。”這項(xiàng)技術(shù)也有多種方法可以用作手術(shù)訓(xùn)練工具，從充當(dāng)由真實(shí)生物組織制成的練習(xí)假人到實(shí)際幫助完成手術(shù)本身。目前，這些應(yīng)用還處于相當(dāng)遙遠(yuǎn)的將來，但包含完整的脊髓電路是向前邁出的重要一步。”
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