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三大先锋机器人设计:从微米级的分子机器人到长肉的人形机器人

2017-03-03 11:19
kumsing
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导语:前两天波士顿动力发布的哪吒一样的机器人 Handle 让很多人赞叹或忧心机器人的快速发展,但不可否认的是这种快速发展确实正在发生。最新一期的《科学·机器人》刊登了三篇文章,介绍了机器人领域的几项其它研究前沿,其中包括可以在人体内移动和进行手术的微型机器人、更小的利用纳米生物工程打造的分子机器人以及在人形机器人上进行组织移植物生长方面的探索。机器之心在此对这三项研究进行了整理介绍。

一、在体内进行医疗手术的微型机器人

一项研究将科幻转为了现实:研究者开发了一种能在身体内自由移动、相互通信、执行任务并在完成后降解的微型和纳米级机器人。加州大学纳米工程研究团队,是新一期 Science Robotics 这篇 Review 的作者,文章认为这些微型机器人将对疾病诊断、治疗和预防等产生重要影响。

文章强调了医学领域的四个方向,在这些方向上,微型机器人已经成功地进行了概念验证(proof-of-concept)研究:靶向传送、精准手术、生物体目标的感知和解毒。本论文合作作者,UCSD 纳米工程主席 Joseph Wang 说:「活性药物的传送是微型机器人最有前景的商业应用」。例如,去年 12 月瑞士 ETH 的研究人员就表明,线形纳米机器人可受控靶向杀死癌细胞。

我们可以从五个方面更好了解微型和纳米机器人。

1. 微型机器人很难移动,更难驱动

机器人缩小到微型和纳米级两个关键挑战就是运动和提供动力。我们根本不可能在这些微型机器上装上齿轮或电池。许多微型机器人采用的是游曳策略(swimming strategy),并通过磁场或其他能量(包括光能、热能或电能)。Wang 最喜欢的一种就是「纳米火箭(nanorocket)」,他们团队开发的一种使用胃液作为燃料并在胃部或肠道自行推动。该领域仍然在寻求能持续更长时间并使用现存资源且不用技术人员干预就可以自行运动的新能源。

2. 它们能执行外科手术任务

机器人辅助手术现如今已经是很普遍了,它们能将医生的操作转化为患者体内更细小、轻微的动作。现在,想想这些纳米级的机器人。科学家们正开发纳米钻头(nanodrillers)、微型夹钳(microgrippers)和其他工具进行体内治疗、检查体内特定区域、捕获或移除特定组织,如群细胞活检(clump of cells for biopsy)。在最近的一个案例中,研究者构建了一个类管状(tube-like)微型机器人执行手术任务,该手术任务就是将一个刺激注入到活兔子眼睛中。该微型机器人的移动是处于磁场的控制中。

3、通过集群智能进行合作

微型包括纳米机器人并非孤军奋战,成百上千个单元合作完成一项任务。「这些微型机器人能够组成小型团队,集体行动。」为此,科学家需要灌输所谓的集群智能,一种去中心化的交流范式。论文表示,使用团队行动规划和机器学习,就能实现。

4. 完成任务后,它们会自我摧毁

说实话,没有人希望纳米机器人完成任务后会堆积在体内,无论是外科纳米机器人还是输送药物等机器人。所以科学家们用生物可降解材料构建此机器人,它们在病人体内停留的时间有限,然后工作完成后就会被清楚或消失。

5. 在活体内可被使用

就像之前提到的,Wang 的纳米火箭是首个在活老鼠模型内测试的微型机器。Wang 说如今越来越多的实验室开始在活体内进行测试,包括苏黎世联邦理工大学和蒙特利尔大学。如果成功了,此次活体试验可开启在人体内的临床试验。谁想先报名?嘿嘿。

二、纳米生物工程创造的分子机器人

本期唯一的一篇 Article 题目为《微米级分子机器人通过变形回应信号分子(Micrometer-sized molecular robot changes its shape in response to signal molecules)》

纳米级生物工程的极速发展已经让生物分子器件(biomolecular device)可以设计成为传感器、致动器(actuator)、甚至是逻辑电路(logic circuit)。由这些组件(component)实现的微米级机器人(micrometer-sized robot)是生物启发机器人(bioinspired robotics)的终极目标之一。

论文作者构建了一个类似变形虫的分子机器人,该分子机器人能够响应特定的信号分子而表达持续性形体变化。该分子机器人由一个主体、致动器和致动器控制装备(离合器/clutch)组成。该分子机器人的主体是由磷脂双分子层(lipid bilayer)制成的囊泡,致动器是由蛋白质、驱动蛋白质(kinesin)和微管组成。

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