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【焦点】科学家开始研制有活体组织和细胞的生物机器人

2016-08-15 09:48
夜隼008
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  还有一些研究员从自然界寻找开发灵感,他们开发出各种仿生混合机器人。例如,加州技术学院的一群研究员开发出一种类似于水母的生物混合机器人,他们称之为“水母机器人”的这种设备周围安装了一圈的手臂,每一条手臂都用蛋白质材料刻印了微型模型,就像活体水母的肌肉一样。当细胞组织收缩的时候,这些手臂就会向内弯曲,推动生物混合机器人在富含营养物质的液体中向前移动。

  最近,研究员们又展示了如何控制生物混合机器人。哈佛大学的一个研究团队利用基因改良的心脏细胞让一种外形酷似蝠鲼的仿生机器人游泳。这些心脏细胞会根据光线的频率做出不同的回应,不同位置的细胞对应的频率也是不同的。

  当研究员们用不同的光线去照射这种机器人时,细胞就会收缩并向蝠鲼身体不同位置的细胞发出电子信号,这种收缩力会沿着机器人的躯体传递,推动机器人前进。研究员们已经可以利用不同频率的光线来控制机器人向左转或向右转。如果加强光线的强度,对应细胞产生的收缩力就会变强,这样研究员就能控制机器人四处移动了。

  虽然人类已经在生物混合机器人领域取得了令人振奋的研究成果,但是要想让这些设备走出试验室,还有很多重要的工作要做。现在的生物混合机器人的使用寿命还比较有限,输出的力量也不大,这就限制了它们的速度和完成各种任务的能力。由哺乳类动物或鸟类动物的细胞制成的机器人对环境条件的要求也是很挑剔的。

  例如,周围环境温度必须与生物肌体温度接近,而且细胞也需要定期用营养丰富的液体滋养。其中一种解决方案是将这些生物混合机器人包装起来,让肌体不会受到外界环境的破坏并且还能一直浸润在营养液中。

  另一种解决方案是利用更强健的细胞组织来作致动器。凯斯西储大学正在研究使用坚硬的深海生物海蜗牛的细胞来制作生物混合机器人致动器的可能性。因为海蜗牛生活在潮间地带,因此可以经受温度和环境含盐浓度在一天之中发生巨大的变化。

  退潮后,海蜗牛就会被困在潮水留下的水洼中。当太阳升起之后,环境温度会不断上升,水洼中的水分被蒸发掉之后,周围环境含盐浓度也会不断上升。而在下雨的时候,情况刚好相反,周围环境的含盐浓度会因为被雨水稀释而下降。当潮水再次来临的时候,海蜗牛才能从水洼中被解放出来。因此,海蜗牛在不断进化的过程中形成了非常坚硬的细胞组织以适应这种多变的环境。

  我们已经能够用海蜗牛的活体组织来控制生物混合机器人的行动,这说明我们可以利用这种抗性极强的组织来研制更坚固的生物机器人。这种生物机器人可以搬起大约1.5英寸长1英寸宽的小块重物。

  人们在开发生物机器人时遇到的另一个重要问题是这类设备缺乏一种板上控制系统。现在,工程师们是通过外界电场或光线来控制它们。为了开发出完全自动化的生物混合机器人,我们还需要能与肌肉组织直接交互以及为生物混合机器人提供感应器信号输入的控制器。其中一种设想是利用神经元或神经簇来作组织控制器。

  这也是我们对于能够将海蜗牛用于试验室研究感到兴奋的另一项重要原因。这种海蜗牛被作为模型系统用于神经生物研究已有数十年的历史。人们已经知道了很多关于它的神经系统与肌肉之间的关系的知识,这就让我们用它的神经元来作为组织控制器成为了可能。

  虽然这个领域的研究工作还处于非常早期的阶段,但是研究员们已经可以设想出生物混合机器人的许多应用前景了。例如,我们利用蛞蝓组织研制的微型生物混合机器人可以被用来寻找有害物质或检查管道泄漏情况。从理论上来说,由于这类设备的生物兼容性,即便它们被野生动物撕碎或者吃掉,也不会像传统的机器人那样造成环境破坏或环境污染。

  有朝一日,这些机器人可能会用人体细胞制成并用于医疗领域。生物机器人可以用于定向给药、清除栓塞或者作为可控支架来使用。这类支架使用的是组织基板而非多分子材料,因此它们可以用来增强血管壁的强度,避免形成动脉瘤;并且这些设备未来还有可能继续改造和完善,并被整合到人体之中。

  除了目前正在开发的小型生物混合机器人之外,人类对于组织工程技术的研究也会为研制出大型生物机器人创造机会。 

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