生物機(jī)器人，離我們有多遠(yuǎn)

網(wǎng)易

聽到機(jī)器人，大多數(shù)人腦海中浮現(xiàn)的是由一堆金屬和塑料零件組成的硬邦邦的玩意兒——它們通常是由各種螺母、螺栓拼裝成的硬體機(jī)器人。

當(dāng)下，機(jī)器人正走出實(shí)驗(yàn)室，走進(jìn)老百姓的日常生活中承擔(dān)各項(xiàng)任務(wù)。對與機(jī)器人打交道的人來說，這樣的硬體設(shè)計(jì)會造成安全風(fēng)險(xiǎn)。比方說，當(dāng)一個(gè)工業(yè)機(jī)器人“不小心碰到”人類工人，其后果不是開玩笑的——輕則瘀血、烏青，重則傷筋動骨。

如何應(yīng)對硬體機(jī)器人的安全風(fēng)險(xiǎn)

工程師們越來越傾向于設(shè)計(jì)更柔軟、順從的機(jī)器人——外表不再是堅(jiān)硬的機(jī)械的機(jī)器人，而更接近于“身輕體柔”的小動物。

一些研究人員通過把機(jī)器人技術(shù)和生物組織工程結(jié)合，開始用活的肌肉組織、細(xì)胞制造機(jī)器人。通過光、電刺激讓細(xì)胞收縮，研究人員能控制機(jī)器人肢體的彎曲，使它們做出劃水、爬行等動作。這樣制造出來的生物機(jī)器人體態(tài)柔軟，跟動物很類似。在人的身邊工作的話，這類機(jī)器人顯然更安全，而且，相比傳統(tǒng)機(jī)器人，它們對環(huán)境的破壞更小。另外，生物機(jī)器人主要使用營養(yǎng)液來補(bǔ)充能量，不需要大型電池組。這使它們比硬體機(jī)器人更輕。

如何開發(fā)生物機(jī)器人

研究人員通過繁殖細(xì)胞來制造生物機(jī)器人。他們一般會選用雞、老鼠的心肌或者骨骼肌，在對活細(xì)胞無毒副作用的支架上進(jìn)行增殖。如果基板材質(zhì)是高分子聚合物，制造出來的就是生物合成機(jī)器人——天然材料和人造材料的混合體。

但是，如果把細(xì)胞組織直接放置到模制骨架上，會造成細(xì)胞組織在各個(gè)方向“野蠻生長”。這意味著，用電刺激讓它們動作時(shí)，細(xì)胞組織的收縮力量會均勻應(yīng)用于各個(gè)方向——根本無法精確控制，而且效率低下。

為了更好地控制細(xì)胞的力量，研究人員求助于細(xì)胞圖案化技術(shù)。他們用細(xì)胞喜歡攀附其上的材質(zhì)，把微尺度線條印在骨架上。這些線條起到向?qū)ё饔谩?xì)胞組織傾向于沿著它生長。于是，研究人員獲得了符合設(shè)計(jì)圖案的細(xì)胞排列，如何把肌肉收縮力量施加于基板變得可控。因此，所有的細(xì)胞能夠協(xié)作起來，使生物機(jī)器人的腿或者鰭能夠像動物那樣動作，而不是一塊受到刺激就胡亂收縮的肉團(tuán)。

仿生合成生物機(jī)器人

除了各種生物合成機(jī)器人，研究人員還通過只使用天然材料，創(chuàng)造出了一些“純”生物機(jī)器人——基板的高分子聚合物被皮膚膠原取代，成為機(jī)器人的軀體。這些機(jī)器人在受到電刺激時(shí)，可以爬行或游泳。有研究人員受到醫(yī)學(xué)組織工程技術(shù)的啟發(fā)，開發(fā)出能使用直角手臂（懸臂）向前移動的機(jī)器人。

還有學(xué)者從自然界獲得靈感，創(chuàng)造出仿生合成生物機(jī)器人。比如，加州理工學(xué)院的一支團(tuán)隊(duì)開發(fā)出仿生水母機(jī)器人“medusoid”，它有環(huán)形排列的觸手。借助細(xì)胞圖案化技術(shù)，每一只觸手都有打印的蛋白質(zhì)線條，使細(xì)胞按照類似于真實(shí)水母肌肉組織的方式排列。細(xì)胞收縮時(shí)，觸手向內(nèi)彎曲，推動水母機(jī)器人向前游動。

之前，哈佛大學(xué)的研究人員展示了如何“駕馭”生物合成機(jī)器人。他們使用轉(zhuǎn)基因心臟細(xì)胞，制作出一個(gè)仿生魔鬼魚（蝠鲼）機(jī)器人，并能讓它游動。這些經(jīng)過基因編輯的心肌細(xì)胞，能對特定頻率的光線作出反應(yīng)——機(jī)器人一側(cè)的細(xì)胞按照一個(gè)頻率，另外一側(cè)是另一個(gè)頻率，這樣就能通過光線變化控制游動的左右方向。

至于向前游動，當(dāng)研究人員把光線投射到機(jī)器人前部，那里的細(xì)胞就會收縮，并把電信號沿魚體傳遞下去。魚體由首至尾的交替收縮運(yùn)動，推動機(jī)器人前進(jìn)。

更強(qiáng)壯的生物機(jī)器人

雖然生物合成機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)有了許多突破性進(jìn)展，但把這些機(jī)器人商業(yè)化并投入使用的時(shí)機(jī)遠(yuǎn)未成熟。目前，這些機(jī)器人產(chǎn)品壽命短、力量輸出小，極大限制了處理各項(xiàng)任務(wù)的速度和能力。另外，使用鳥類和哺乳動物細(xì)胞開發(fā)的機(jī)器人對環(huán)境十分敏感。比如，環(huán)境溫度必須保持與生物體溫接近。還有，和動物一樣，細(xì)胞需要定期補(bǔ)充營養(yǎng)——喂?fàn)I養(yǎng)液。一個(gè)潛在的解決方案是：把生物機(jī)器人包裝起來（類似皮膚對人的保護(hù)），所以外部環(huán)境的影響不再那么致命，營養(yǎng)液的補(bǔ)充也可以建立起一個(gè)內(nèi)部系統(tǒng)（就像為人體細(xì)胞提供營養(yǎng)的血液循環(huán)系統(tǒng)）。

另外一個(gè)方案是：使用更強(qiáng)壯的細(xì)胞作為驅(qū)動器。凱斯西儲大學(xué)的學(xué)者們通過研究生命力頑強(qiáng)的海蝸牛，探索它的可行性。海蝸牛棲息于潮間帶，每天都會經(jīng)歷巨幅溫差和鹽度差。退潮時(shí)，有的海蝸牛會困在淺灘，水分會隨光照蒸發(fā)。下雨時(shí)，周圍環(huán)境的鹽濃度又會巨幅下降。為適應(yīng)復(fù)雜多變的棲息地狀況，海蝸牛進(jìn)化出堅(jiān)硬的殼來保護(hù)自己。

研究人員已經(jīng)可以把海蝸牛肌肉組織作為驅(qū)動器，來驅(qū)動生物合成機(jī)器人。這意味著，我們能用這些更強(qiáng)壯的細(xì)胞組織來制造生物機(jī)器人。目前該機(jī)器人已能搬運(yùn)不大的物體。

挑戰(zhàn)與展望

生物機(jī)器人的另一大挑戰(zhàn)是，目前還沒有研發(fā)出任何一種可以裝在機(jī)器人上的機(jī)載控制系統(tǒng)。工程師們只能通過外部電場或者光線控制它們。為了開發(fā)出完全自主的生物合成機(jī)器人，我們需要能直接與機(jī)器人肌肉組織交流，并提供傳感器輸入的控制器?？此谱钪苯樱y度可能也最大）的方案是：使用神經(jīng)元或神經(jīng)元集群組成的神經(jīng)中樞，來作為生物控制器。

這是研究人員對海蝸牛那么在意的另一個(gè)原因：它被神經(jīng)生物學(xué)研究當(dāng)作模型系統(tǒng)，已有很多年。它的神經(jīng)系統(tǒng)與肌肉之間的關(guān)系已經(jīng)被研究得比較透徹。這為把它的神經(jīng)元作為生物控制器，打開了大門。將來，研究人員希望能借助生物控制器，告訴機(jī)器人怎么移動，并幫助它處理各種任務(wù)，比如說尋找有毒物質(zhì)和跟隨燈光。

雖然合成生物技術(shù)正處在“嬰兒期”，但研究人員們已為它設(shè)想了許多應(yīng)用場景。比如說，可以造出一批使用海蝸牛組織的迷你機(jī)器人，然后把一大群迷你機(jī)器人釋放到水庫或者海水里，搜尋泄漏的水管或者有毒物質(zhì)。由于這些機(jī)器人由生物組織制成，如果它們壞掉或者被魚吃掉，并不會對環(huán)境造成很大影響。

將來，使用人類細(xì)胞制造的生物機(jī)器人可以應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。據(jù)了解，它們可以進(jìn)行靶向藥物輸送、處理血栓，或成為可控制、調(diào)節(jié)的血管支架。這些迷你機(jī)器人裝置能強(qiáng)化衰弱的血管，預(yù)防動脈瘤。由于使用生物介質(zhì)，而不是高分子聚合物，它們能被重新調(diào)整，并隨時(shí)間成為患者身體的一部分。另外，生物組織工程學(xué)的進(jìn)展（比如開發(fā)人造血液循環(huán)系統(tǒng)）很可能打開一扇新的大門：靠肌肉行動的大型生物機(jī)器人。

到了那時(shí)，從外表上將很難分辨出動物和生物機(jī)器人的區(qū)別。更令人深思的是，到了那一步，造出具有人類生物學(xué)特征的“類人”機(jī)器人將在技術(shù)上成為可能——至于現(xiàn)實(shí)中會不會有人這么做，將取決于倫理的進(jìn)步和立法。技術(shù)的發(fā)展是不可逆的，潘多拉魔盒一旦打開，就不可回頭。這里用潘多拉作比方或許很不恰當(dāng)——因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果并不是好、壞所能形容，而是對倫理、道德、生命、人的重新定義，將帶來社會方方面面的變革。endprint