多倫多大學(xué)華人團(tuán)隊(duì)改造線蟲『機(jī)器人』穿越迷宮！用光遺傳學(xué)操控活體生物運(yùn)動(dòng)

加拿大多倫多大學(xué)劉新宇團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，用化學(xué)方法把活體秀麗隱桿線蟲“大腦”與肌肉系統(tǒng)的連接切斷，再利用光遺傳學(xué)和微機(jī)器人控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)活體線蟲爬行狀態(tài)的閉環(huán)控制，可一次性靈活穿越微型迷宮。

近年來，直接利用微生物運(yùn)動(dòng)或生物組織來構(gòu)建生物融合微機(jī)器人（又稱為類生命機(jī)器人）頗具應(yīng)用前景，在藥物控制傳遞、細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器表征和精密醫(yī)療手術(shù)等技術(shù)已有了重要的應(yīng)用場(chǎng)景。

然而，微型機(jī)器人的設(shè)計(jì)，在一定程度上受到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和高密度能源無縫集成等技術(shù)瓶頸限制，這種微型機(jī)器人的集成度和性能還無法與生物有機(jī)體相媲美。

在傳統(tǒng)的微機(jī)器人領(lǐng)域，有很多課題組基于機(jī)器仿生原理，利用微裝配、原位生長(zhǎng)或生物打印等技術(shù)，將機(jī)器人微結(jié)構(gòu)本體和具有驅(qū)動(dòng)功能的細(xì)胞或組織集成，實(shí)現(xiàn)生物融合機(jī)器人。但這種仿生機(jī)器人在微米尺度下，粘性力和摩檫力通常比重力高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這對(duì)微型機(jī)器人機(jī)體結(jié)構(gòu)和執(zhí)行器的設(shè)計(jì)、制造和材料開發(fā)帶來了較大的困難。

該團(tuán)隊(duì)提出了一種基于線蟲光遺傳學(xué)的設(shè)計(jì)策略，利用活體秀麗隱桿線蟲作為“微機(jī)器人本體”，將線蟲肌肉細(xì)胞作為“驅(qū)動(dòng)器”，通過可控微結(jié)構(gòu)光場(chǎng)對(duì)線蟲的蛇形運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

活體線蟲軟體微型機(jī)器人光遺傳運(yùn)動(dòng)控制原理示意圖

相關(guān)論文以為題《通過光遺傳運(yùn)動(dòng)控制秀麗隱桿線蟲的活體軟微型機(jī)器人》發(fā)表在Science Robotics上。

相關(guān)論文

由加拿大麥吉爾大學(xué)機(jī)械工程系博士董先科擔(dān)任第一作者，加拿大多倫多大學(xué)機(jī)械與工業(yè)工程系教授劉新宇擔(dān)任通訊作者。

該成果可帶來兩方面研究?jī)r(jià)值，一是為微器人設(shè)計(jì)原理研究提供了新思路；二是活體線蟲爬行控制技術(shù)有望賦能線蟲生物學(xué)創(chuàng)新研究。

用機(jī)器視覺算法取代“大腦”，讓活體線蟲一次性成功穿越微型迷宮

劉新宇教授表示，“我們的初衷是利用機(jī)器人技術(shù)對(duì)秀麗隱桿線蟲進(jìn)行爬行控制，將這個(gè)活體線蟲變成一個(gè)可控的軟體微機(jī)器人?！?/p>

在做該研究之前，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對(duì)秀麗線蟲微操作領(lǐng)域研究多年，研發(fā)了針對(duì)自由爬行活體線蟲的機(jī)器視覺識(shí)別和跟蹤算法，全自動(dòng)線蟲顯微注射系統(tǒng)，以及用于高速線蟲篩選的微流控系統(tǒng)。

該研究成果具有兩大突出亮點(diǎn)：

第一，該團(tuán)隊(duì)揭示了秀麗隱桿線蟲能夠持續(xù)向前蛇形爬行的驅(qū)動(dòng)規(guī)律。線蟲向前爬行的主要原因是，秀麗隱桿線蟲如蛇形般的體形結(jié)構(gòu)與它的肌肉收縮強(qiáng)度分布間存在一個(gè)相位差，從而通過從頭部到尾部的依次肌肉收縮產(chǎn)生向前推動(dòng)力，受推力作用活體秀麗隱桿線蟲可以持續(xù)向前爬行。

該團(tuán)隊(duì)通過對(duì)活體線蟲爬行的熒光成像進(jìn)行了觀察，并對(duì)肌肉收縮時(shí)的鈣信號(hào)增強(qiáng)做了熒光成像，發(fā)現(xiàn)了線蟲肌肉收縮的最大值，然后又通過機(jī)械力學(xué)建模再次求證，實(shí)驗(yàn)證明“蛇形相位差”是秀麗隱桿線蟲向前持續(xù)爬行的主要原因。

蛇形爬行的推力分析及微光場(chǎng)控制肌肉收縮推力再現(xiàn)

第二，如何通過機(jī)器視覺反饋控制算法實(shí)現(xiàn)秀麗隱桿線蟲爬行閉環(huán)控制。該團(tuán)隊(duì)利用化學(xué)方法將活體秀麗隱桿線蟲進(jìn)行麻醉，把它的“大腦”（即線蟲的神經(jīng)系統(tǒng)）與肌肉系統(tǒng)暫時(shí)切斷，再利用光遺傳學(xué)的辦法，人為激勵(lì)它身體不同部位的肌肉，讓它的肌肉形成了一個(gè)對(duì)應(yīng)的收縮分布，保持和體形結(jié)構(gòu)的相位差，使它向前蛇形爬行。

然后，通過機(jī)器視覺算法對(duì)活體線蟲的爬行進(jìn)行跟蹤，通過線蟲的外輪廓對(duì)秀麗隱桿線蟲進(jìn)行激勵(lì)，根據(jù)它所處的位置將分布的光打到它的身上，讓活體線蟲多個(gè)肌肉進(jìn)行收縮，實(shí)時(shí)復(fù)現(xiàn)這樣的相位差實(shí)現(xiàn)持續(xù)爬行。

值得關(guān)注的是，該團(tuán)隊(duì)對(duì)秀麗隱桿線蟲實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的閉環(huán)位置控制和方向控制。

首先，可控制線蟲從任意A點(diǎn)爬行至任意B點(diǎn)；其次，不論線蟲初始爬行方向如何，都可以通過視覺反饋算法將他的爬行方向調(diào)整成想要的方向。通過給線蟲規(guī)劃一個(gè)爬行軌跡圖，就能控制它一次性穿過一個(gè)微型迷宮，順利到達(dá)目的地。

閉環(huán)控制對(duì)線蟲移動(dòng)方向和目的地的調(diào)控

劉新宇表示，利用秀麗隱桿線蟲做研究的優(yōu)勢(shì)在于它是“活體”，線蟲身體中“結(jié)構(gòu)部件”“驅(qū)動(dòng)器”“能源部件”的高度無縫集成，為人們呈現(xiàn)了一種大自然設(shè)計(jì)的微機(jī)器人系統(tǒng)。

當(dāng)然這類活體機(jī)器人，其劣勢(shì)也比較明顯，比如秀麗隱桿線蟲與人類體內(nèi)環(huán)境不兼容，因此會(huì)限制其在醫(yī)療上的應(yīng)用。

另外，線蟲在爬行的過程中也會(huì)疲勞，限制線蟲微機(jī)器人的工作時(shí)間。一條活體線蟲在光驅(qū)動(dòng)受控狀態(tài)下可保持爬行在15分鐘左右，一旦控制超過15分鐘，線蟲肌肉細(xì)胞的收縮力就會(huì)變小，可控爬行就會(huì)受到影響。

研發(fā)第二代活體線蟲變體，提高控制成功率超50%

可控秀麗隱桿線蟲轉(zhuǎn)基因變體的前期研究是一套非常復(fù)雜的流程，由于不同活體線蟲對(duì)麻醉處理的反應(yīng)差異，該論文中所報(bào)道的第一代活體線蟲變體受控成功率相對(duì)較低，大概在7%左右。而定義是否“成功”的標(biāo)準(zhǔn)，是將線蟲麻醉以后看它能否完全受控，如果它能受控就定義為成功；反之，則定義為失敗。

劉新宇教授表示，為了提高活體秀麗隱桿線蟲的受控成功率，當(dāng)前該團(tuán)隊(duì)正在和加拿大多倫多西奈山研究所的Mei Zhen教授團(tuán)隊(duì)合作，對(duì)秀麗隱桿線蟲轉(zhuǎn)基因變體進(jìn)行了改造升級(jí)，第二代線蟲變體有望實(shí)現(xiàn)超過50%的控制成功率，這可以對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的后續(xù)研究更有效率，也可以幫助對(duì)線蟲生物學(xué)不熟悉的其他研究組更容易應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)。

由于并不是所有微機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)室都熟悉或者都能做這樣的實(shí)驗(yàn)，所以該團(tuán)隊(duì)后期考慮把這套平臺(tái)的所有參數(shù)和技術(shù)做一個(gè)開源發(fā)表，將所有的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)公開，讓機(jī)器人領(lǐng)域和生物學(xué)領(lǐng)域的研究者更方便使用。

“一旦新的科研成果被發(fā)表，我們會(huì)努力做好準(zhǔn)備，爭(zhēng)取為全球各個(gè)領(lǐng)域的研究組提供第二代活體線蟲樣品。突破科研技術(shù)難題，克服平臺(tái)障礙，將此技術(shù)在不同學(xué)術(shù)領(lǐng)域推廣，是我們未來幾年的主要目標(biāo)?！眲⑿掠罱淌谡f道。

可廣泛用于基礎(chǔ)研究，但體內(nèi)送藥等臨床應(yīng)用前景仍受限

秀麗隱桿線蟲的神經(jīng)細(xì)胞只有302個(gè)，而且每一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞互相連接的圖譜都已被研究清楚，科研人員可以通過高分辨率熒光成像辦法去研究，活體線蟲不同爬行為下神經(jīng)細(xì)胞的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)理，因此該研究成果可直接應(yīng)用于基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)研究，并且短期即可找到應(yīng)用前景。

微米級(jí)機(jī)器人在醫(yī)療領(lǐng)域有很高的應(yīng)用價(jià)值，比如可以在人體內(nèi)自主行動(dòng)，把藥物精準(zhǔn)地送到能發(fā)揮藥效的地方，還可以輔助精子移動(dòng)幫助人工受孕。

“然而，該成果短期內(nèi)很難直接用于醫(yī)療領(lǐng)域，在解決行業(yè)痛點(diǎn)及大規(guī)模商業(yè)化落地上仍不成熟。比如，在臨床應(yīng)用中，目前很難將活體線蟲植入人體做藥物遞送或其他應(yīng)用，在技術(shù)和倫理層面面臨一定的障礙。”劉新宇表示。

劉新宇

第一，將活體線蟲植入體內(nèi)做藥物提送，面臨倫理障礙。秀麗隱桿線蟲屬于一種寄生蟲，把它植入人體內(nèi)做藥物遞送，從倫理或者從心理上患者對(duì)它的接受程度會(huì)有很大的障礙，在短期之內(nèi)找到克服這個(gè)難題的解決方法具有一定挑戰(zhàn)。

秀麗隱桿線蟲

第二，秀麗隱桿線蟲光驅(qū)動(dòng)原理不適合體內(nèi)應(yīng)用，這是主要技術(shù)障礙之一。臨床中利用的最多的是磁控和聲控驅(qū)動(dòng)，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)到人體以后，磁場(chǎng)和聲控都可以很容易將藥物遞送到更深的身體組織。由于秀麗桿線蟲是基于光學(xué)驅(qū)動(dòng)的，在技術(shù)層面上如何實(shí)現(xiàn)體內(nèi)線蟲光驅(qū)動(dòng)，目前該團(tuán)隊(duì)持保守態(tài)度。

未來，該團(tuán)隊(duì)將會(huì)對(duì)秀麗隱桿線蟲活體的基因結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，尤其是對(duì)它麻醉的過程做一個(gè)升級(jí)，使它的麻醉過程重復(fù)性更好，可以很大程度提高線蟲控制的成功率，這是他們接下來主攻的一點(diǎn)；另外該團(tuán)隊(duì)將與Mei Zhen教授和其他生物線蟲實(shí)驗(yàn)室合作，將該實(shí)驗(yàn)技術(shù)和平臺(tái)應(yīng)用到線蟲基礎(chǔ)生物學(xué)創(chuàng)新研究。

將更多的精力傾注于科學(xué)研究，以終為始探索更多可能性

劉新宇表示，“我們團(tuán)隊(duì)在開始這項(xiàng)研究時(shí)，主要出于好奇心和興趣驅(qū)動(dòng)，至于最終研究成果適合哪些未來應(yīng)用場(chǎng)景，可以解決哪些實(shí)際問題，當(dāng)時(shí)并沒有找到清晰路徑。而且，基礎(chǔ)科學(xué)研究與應(yīng)用轉(zhuǎn)化的先后順序有時(shí)很難分清，只要我們保持好奇心，全力推動(dòng)新知識(shí)產(chǎn)生和技術(shù)進(jìn)步，很多開創(chuàng)性成果在之后的深入研究過程中，會(huì)找到意想不到的應(yīng)用場(chǎng)景。”

開展本研究的過程中，該團(tuán)隊(duì)逐漸認(rèn)識(shí)到所開發(fā)的活體線蟲運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，在線蟲生物學(xué)基礎(chǔ)研究上的應(yīng)用前景。例如，該技術(shù)將允許團(tuán)隊(duì)對(duì)線蟲不同蛇形爬動(dòng)模式下的生物力學(xué)原理進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量和建模研究。

另外，該團(tuán)隊(duì)將和Mei Zhen團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步合作，深入研究線蟲嗅覺、趨光、趨熱等行為的神經(jīng)生物學(xué)原理。

劉新宇表示，“如今，中國國內(nèi)環(huán)境有一個(gè)非常獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，科研與產(chǎn)業(yè)結(jié)合非常緊密，產(chǎn)業(yè)層面需求的反哺，使科研工作者的思路更加清晰?！?/p>