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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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三、在人形机器人上进行组织移植物生长的探索

本期焦点(Focus)文章《在人形机器人上进行组织移植物生长:会是再生医学的未来战略吗?(Growing tissue grafts on humanoid robots: A future strategy in regenerative medicine?)》讲述了人形机器人在再生医学中的重要战略意义。

我们知道,过去十年中,人形机器人取得了巨大进步。其应用前景比较广阔,从医学到太空探索。尤其是,带有骨骼肌肉的人形机器人(比如,Kenshiro 和 Eccerobot)能以更安全、自然的方式与人类互动。这类机器人旨在尽可能复制人类骨骼肌肉系统(骨头-筋腱-肌肉)的解剖细节。

东京大学开发的 Kenshiro

因此,我们也毫不奇怪这类机器人也为科学和医学领域提供了新的契机。在这篇文章中,作者认为,在组织移植中,这类机器人或能帮上忙。

在老年人口中,骨骼肌肉组织失调或者损伤,越来越成为健康、经济和社会问题。通常,组织失灵会带来疼痛,也会导致行动不便。因此,一种有前途的修复策略就是工程再造组织移植物。

组织工程学的发展得益于生物反应器系统,该系统可以控制维持活体细胞以及组织得以体外存活的环境条件。不过,打造功能性的组织移植物,需要更先进的生物反应器。当前的生物反应器的问题是,无法模拟细胞所需的真实力学环境,因此无法打造用于临床的组织移植物。

成功研发出肌肉骨骼组织(体内体外)的关键就是力学模拟。较之静态条件,现有文献表明,体外力学模拟可以尽可能密切模仿有机体内的组织体验。但是,到目前为止,肌肉骨骼组织工程学中的生物反应器还相对原始。主要不足在于没办法模拟身体体验到的力学负荷(mechanical loadings)。为了能生产出可用于临床的相关移植物,未来的生物反应器需要满足以下几个条件:

首先,通过结合张力、提供多方压力,扭力以及剪应力,提供多向应力;

其次,根据解剖位置,调节负载状态适应每个个体组织;

最后,能够打造出类似天然身体部分的组织结构;

在这一语境下,人形肌肉骨骼机器人就变得很相关了。通过模仿人类骨骼结构以及不同活动中的身体运动,这类机器人能够帮助我们克服当前生物反应器的局限性。

设计一个带骨骼肌肉的人形机器人需要思考这几个问题。机器人如何与环境互动?如何驱动人形——生物反应器(humanoid-bioreactor)?如何感知力量并加以控制?

在医学、科学和工程学领域,人形——生物反应器系统会有无数应用机遇,特别可被用于:

构造更适用于临床的肌肉骨骼组织移植物,特别是,通过匹配机器人形态学、力学与病患需求,实现定制化组织移植;

支持多相结构的研发,比如,骨头- 筋腱-肌肉移植,这也是组织工程学中的一个重要研究领域,因为治疗期间的失败通常出现在组织交界处;

进一步深入了解力学生物学(mechanobiology)以及组织治愈机制;

更快地筛查未来用于肌肉骨骼修复的支架,减少临床前测试中动物模型的使用;

加快研发更加安全的带肌肉骨骼机器人的研发,让其运动更加自然。鉴于基于细胞的驱动器的出现,也会促进生物混合(biohybrid)人形机器人的发展。

  选自Science Robotics

  机器之心编译

  参与:蒋思源、微胖、吴攀

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