從《弗蘭根斯坦》中用鐵釘鉚起血肉的人造人，到《攻殼機(jī)動隊》中用義肢替換器官的生化警察。在很多科幻作品中，都有各種鋼鐵與血肉混合的“生命體”。
現(xiàn)實(shí)中，機(jī)器人領(lǐng)域的研究者們也在嘗試將生物與機(jī)器進(jìn)行融合。他們既可以利用生物材料的某些特性，或者依照仿生學(xué)的思路師法自然，也可以直接改造、控制生命，為人類服務(wù)。
這類研究，統(tǒng)稱為“生物混合機(jī)器人”（Biohybrid Robot）。
機(jī)器人領(lǐng)域的研究者們正嘗試將生物與機(jī)器進(jìn)行融合
從傳感器到茶包標(biāo)簽
——細(xì)胞們的角色扮演
“生物混合機(jī)器人”研究中最直接的形式，就是把來自生命的材料直接裝進(jìn)機(jī)器。
當(dāng)然，這種研究絕不是恐怖電影中常見的，眼球放進(jìn)鋼鐵頭骨，或者手臂大腿拼到機(jī)械軀干?，F(xiàn)階段，研究者們主要是利用某些生命的一些特殊能力，比如能夠發(fā)光的細(xì)菌。
作為單細(xì)胞生物，發(fā)光細(xì)菌能將化學(xué)信號轉(zhuǎn)化為光信號，是生物實(shí)驗(yàn)室中常見的研究素材之一。它們在很多方面都有著應(yīng)用潛力，比如作為傳感器來使機(jī)器在小尺寸下，完成對特定化學(xué)物質(zhì)的探測。
卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究者通過人工合成的發(fā)光細(xì)菌捕捉化學(xué)信號，再通過發(fā)光二極管激發(fā)這些細(xì)菌的熒光反應(yīng)，使細(xì)菌發(fā)光?；瘜W(xué)物質(zhì)的濃度會影響光信號的強(qiáng)弱。隨后，這些光信號被光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號，傳輸至處理芯片。
將這些發(fā)光細(xì)菌和配套裝置整合到柔性機(jī)器手中，就能極大擴(kuò)展這些機(jī)器手的功能——如同為機(jī)器手安裝上了感受化學(xué)信號的“眼睛”。
發(fā)光細(xì)菌在機(jī)器手中起到了傳感器的功能
細(xì)胞不僅可以作為傳感部件使用，也可以作為驅(qū)動部件。日式料理中經(jīng)常出現(xiàn)一種叫做納豆的食物，這是由黃豆通過納豆菌發(fā)酵制成的豆制品。納豆菌細(xì)胞對于濕度十分敏感，遇濕膨脹，干燥則收縮。正是這一種看似普通的特性，如若經(jīng)過巧妙設(shè)計，就可以實(shí)現(xiàn)出神奇的功能。
麻省理工學(xué)院的研究人員設(shè)計了一套微米級分辨率的生物打印系統(tǒng)，可以將納豆菌細(xì)胞打印成各種各樣的形狀。通過預(yù)先設(shè)計的巧妙結(jié)構(gòu)，能讓這些納豆菌細(xì)胞構(gòu)成的物件，成為對濕度變化進(jìn)行反應(yīng)的小小機(jī)器。比如，打印出的茶包標(biāo)簽會在茶泡好時展開，打印出的干花則可以將濕度變化以綻放的形態(tài)顯示出來。
納豆菌細(xì)胞打印出的茶包標(biāo)簽與干花
如何飛得更好，這還得聽鳥的
除了對生物直接進(jìn)行利用，“師法自然”也是機(jī)器人研究者們的必修課。
1903年，萊特兄弟向鳥學(xué)習(xí)了飛翔。自飛機(jī)問世以來，人類已經(jīng)設(shè)計出了各種各樣的飛行器。但是，無論是空中客車還是無人機(jī)，它們在飛行過程中的能量利用率始終比鳥類遜色不少。
鳥類能夠保持高效率飛行的重要原因之一，是它們的羽翼可以對自身形體進(jìn)行靈活、動態(tài)的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)瞬息萬變的氣流環(huán)境。
通過對鴿子骨骼和羽翼的動力學(xué)研究，斯坦福大學(xué)的學(xué)者發(fā)現(xiàn)了羽翼上不同羽毛之間的運(yùn)動與協(xié)調(diào)規(guī)律。他們收集起40根真羽毛，模仿骨骼設(shè)計了連桿結(jié)構(gòu)，通過4個微型電機(jī)對這些羽毛進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。這種“真羽毛+電機(jī)”的生物混合機(jī)翼，可以在氣流中迅速而穩(wěn)定地變形，從而實(shí)現(xiàn)高效飛行。
也許未來的某一天，我們就會搭乘上煽動翅膀的機(jī)器大鳥，在空中翱翔。
“真羽毛+電機(jī)”的生物混合機(jī)翼
不僅僅是飛行，機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)動一直都是研究難點(diǎn)。比如，怎樣讓機(jī)器如同人類手指一樣靈活，就是個巨大的挑戰(zhàn)。
東京大學(xué)的研究人員參考了骨骼肌，通過在機(jī)器人中加入肌肉組織，讓機(jī)器在微小尺寸下更加精確、穩(wěn)定地運(yùn)動。他們設(shè)計了一個帶有關(guān)節(jié)的機(jī)械手，利用對稱的骨骼肌進(jìn)行驅(qū)動，使關(guān)節(jié)能夠進(jìn)行大角度的旋轉(zhuǎn)。很多動物都能做出這種對抗性放松-收縮的肌肉動作——你在拾取或放下東西時，手指上發(fā)生的就是這類動作。通過這種設(shè)計，就能做出一個靈活的機(jī)器手指了。
利用骨骼肌完成機(jī)器的大角度動作
朋友，你想駕馭蟑螂嗎？
使用細(xì)胞或者肌肉作為一部分零件，亦或是從生物的進(jìn)化中汲取靈感，這些技術(shù)思路固然巧妙，但能否更直接些，讓我們來操控一個生物！
北卡羅萊納州立大學(xué)的研究者將目光投向了一種和藹可親的小動物——蟑螂。
蟑螂能夠利用觸角感受前方的障礙物，利用腹部上的尾須感受后方天敵的運(yùn)動，借此改變自己的行動路線——可以說，觸角和尾須，就是它們的天線和后視鏡。
背著控制裝置的蟑螂
研究人員將控制芯片、WiFi芯片等集成到了一個輕巧的電路板上，并把這塊集成小裝置固定在蟑螂背部。通過電極刺激蟑螂的觸角和尾須，就能欺騙它們的方向調(diào)控。
于是，這樣一只背著“小背包”的蟑螂，就能按照指令前進(jìn)了。
如果實(shí)驗(yàn)中使用了廣東的蟑螂，說不定能造出一個飛行機(jī)器人。
不過，簡單的控制已經(jīng)無法滿足科研人員的野心，他們有些大膽的想法——從零開始創(chuàng)造“活”的機(jī)器人。
就在今年，美國國家科學(xué)院院刊報道了來自美國塔夫茨大學(xué)的研究成果：科學(xué)家們創(chuàng)造了一款活體機(jī)器人，名為“Xenobots”。
這款活體機(jī)器人完全由蟾蜍的細(xì)胞組成。準(zhǔn)確來說，是兩種蟾蜍細(xì)胞：一種是表皮細(xì)胞，彈性較弱，作用類似于機(jī)器人中的骨架；另一種是心肌細(xì)胞，能夠進(jìn)行伸縮，可以充當(dāng)驅(qū)動部件。
?。ㄗ螅┚G色方塊代表蟾蜍的表皮細(xì)胞，紅色方塊代表蟾蜍的心肌細(xì)胞。（右）兩種細(xì)胞組成計算機(jī)設(shè)計的構(gòu)型以實(shí)現(xiàn)指定的功能 | Sam Kriegman
為了讓活體機(jī)器人可以按照人們指定的方式移動，研究團(tuán)隊?wèi)?yīng)用了遺傳算法。當(dāng)想讓機(jī)器人完成某種動作（比如：沿直線移動）時，遺傳算法可以給出一套最優(yōu)化的模型。按照這一優(yōu)化模型，研究者使用顯微工具對蟾蜍細(xì)胞團(tuán)進(jìn)行加工，就得到可以做出“指定動作”的活體機(jī)器人。這些基于不同模型的細(xì)胞團(tuán)尺寸在1毫米左右，可以完成移動、推動物體、自動愈合等功能。
這些看似平平無奇的細(xì)胞團(tuán)，就是人類有史以來第一次“完全從頭開始設(shè)計的生物機(jī)器”。
生命與機(jī)器的界線
技術(shù)飛速進(jìn)步，生物與機(jī)器相互交融，科幻電影中的場景似乎離我們也沒那么遙遠(yuǎn)。
無論是借由生物改進(jìn)機(jī)器性能，還是讓機(jī)器向生物學(xué)習(xí)運(yùn)動方式，生物混合機(jī)器人的研究一直在暗示著這樣的道理：只有愈發(fā)理解生命，才能更好地創(chuàng)造機(jī)器。
然而，技術(shù)之外，更多問題浮出水面。
生物與機(jī)器間的界線逐漸模糊：Xenobots由100%的細(xì)胞構(gòu)成，那么，該稱其為“生物”還是“機(jī)器”？
或者，我們又該如何定義“生命”？
當(dāng)人類試圖扮演造物主，接下來的故事如何發(fā)展，充滿未知與挑戰(zhàn)。
