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    生物混合機(jī)器人:除了金屬和塑料,機(jī)器人也可以擁有活體細(xì)胞和組織

       日期:2016-08-19     瀏覽:165    

    發(fā)布日期:2016-08-17

    提到機(jī)器人,我們腦海中浮現(xiàn)的通常是金屬、塑料材質(zhì)的機(jī)器人。這種機(jī)器人是傳統(tǒng)機(jī)器人的代表,但隨著科技的發(fā)展,越來越多的機(jī)器人走出實驗室,這種堅硬材質(zhì)的機(jī)器人也許會給接觸他們的人類帶來傷害。比如,當(dāng)一個飛行機(jī)器人向你飛來,你肯定會下意識地躲閃,害怕流血受傷。

    現(xiàn)在,越來越多研究人員開始尋找辦法來讓機(jī)器人變得更加柔軟、更加呆萌,越來越像動物。對于那些裝有傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的機(jī)器人來說,這就意味著讓他們裝上肌肉或是在發(fā)動機(jī)上裝上彈簧。比如,在掃地機(jī)器人Roomba上安裝減震彈簧,就能很好地減少避免它對使用者的傷害。

    不過,現(xiàn)在有團(tuán)隊另辟蹊徑,采取了另外一種方式來讓機(jī)器人更加人畜無害:將動物組織與機(jī)器人結(jié)合在一起。他們正在大力打造由生物肌肉組織和細(xì)胞驅(qū)動的機(jī)器人。這些設(shè)備可以由電或者光驅(qū)動,讓細(xì)胞與骨骼結(jié)合,從而能讓機(jī)器人游泳或者爬行。這些機(jī)器人能夠自由移動,并像動物一樣柔軟。相比傳統(tǒng)機(jī)器人,他們對使用者和環(huán)境更加安全。此外,它們不僅外表像動物,生理機(jī)能也更像動物,需要營養(yǎng)素,而不是電池來供應(yīng)能量。因此,它們也比傳統(tǒng)機(jī)器人更輕。

    打造生物機(jī)器人

    要打造生物機(jī)器人,研究人員首先會提取老鼠或是小雞的心臟或是骨骼肌。如果基質(zhì)是聚合物,那么他們打造出來的設(shè)備便是生物混合機(jī)器人:由自然和人造物質(zhì)共同組成的混合機(jī)器人。

    如果你簡單地將細(xì)胞放到已成型的骨骼中,那么細(xì)胞就可以開始肆無忌憚地成長。這就意味著當(dāng)研究者用電流來讓細(xì)胞移動時,細(xì)胞的壓力方向?qū)⑹请S意的,這樣就會大大降低設(shè)備的效率。

    因為,為了更好地利用細(xì)胞的能量,研究人員開始將目光轉(zhuǎn)向了微縮成像。他們利用3D打印打造了特定的骨骼模型,這樣細(xì)胞一旦被放置入內(nèi),就會根據(jù)骨骼的形狀生長。這樣一來,細(xì)胞便打破了混亂生長的狀態(tài),提升設(shè)備成型的效率。

    靈感來自動物

    除了生物混合機(jī)器人,研究人員還打造了純生物機(jī)器人。這些機(jī)器人的原材料完全來自動物(比如生物皮膚的膠原蛋白),而不是一些聚合物,它們中的一些可以在電場中爬行或游泳。研究人員從醫(yī)學(xué)組織工程技術(shù)中獲取靈感,并利用長長的矩形手臂或是懸臂來推動它們前進(jìn)。

    另外一些研究者從自然中汲取靈感,打造生物驅(qū)動的生物混合機(jī)器人。例如,來自加州理工學(xué)院的一支研究團(tuán)隊從水母中得到靈感,開發(fā)了一款生物混合機(jī)器人。研究團(tuán)隊將這款機(jī)器人稱為“水母類機(jī)器人”,它有著能夠繞城圓圈的手臂,他們稱之為“水母機(jī)器人”,它的周圍安裝了一圈手臂,每條手臂都用蛋白質(zhì)材料刻印了微型模型,就像活體水母的肌肉一樣。當(dāng)細(xì)胞組織收縮的時候,這些手臂就會向內(nèi)彎曲,推動生物混合機(jī)器人在富含營養(yǎng)物質(zhì)的液體中向前移動。

    最近,研究員們又展示了如何控制生物雜交機(jī)器人。哈佛大學(xué)的一個研究團(tuán)隊利用基因改良的心臟細(xì)胞,讓一種外形酷似蝠鲼的仿生機(jī)器人游泳。這些心臟細(xì)胞會根據(jù)光線的頻率做出不同的回應(yīng),不同位置的細(xì)胞對應(yīng)的頻率也是不同的。

    當(dāng)研究員們用不同的光線去照射這種機(jī)器人時,細(xì)胞就會收縮并向蝠鲼身體不同位置的細(xì)胞發(fā)出電子信號,這種收縮力會沿著機(jī)器人的軀體傳遞,推動機(jī)器人前進(jìn)。研究員們已經(jīng)可以利用不同頻率的光線來控制機(jī)器人向左轉(zhuǎn)或向右轉(zhuǎn)。如果加強光線的強度,對應(yīng)細(xì)胞產(chǎn)生的收縮力就會變強,這樣研究員就能控制機(jī)器人四處移動了。

    路漫漫其修遠(yuǎn)兮

    雖然人類已經(jīng)在生物混合機(jī)器人領(lǐng)域碩果頗豐,但是要想讓這些設(shè)備走出試驗室,還有很長一段路要走?,F(xiàn)在的生物混合機(jī)器人的使用壽命還比較有限,輸出的力量也不大,這就限制了它們的速度和完成各種任務(wù)的能力。由哺乳類動物或鳥類動物的細(xì)胞制成的機(jī)器人對環(huán)境條件的要求也是很挑剔的。

    例如,周圍環(huán)境溫度必須與生物肌體溫度接近,而且細(xì)胞也需要定期用營養(yǎng)豐富的液體滋養(yǎng)。要解決這個問題,研究人員已經(jīng)想出了兩種方法。

    其中一種解決方案是將這些生物混合機(jī)器人包裝起來,讓肌體不會受到外界環(huán)境的破壞并且還能一直浸潤在營養(yǎng)液中。

    另一種解決方案是利用更強健的細(xì)胞組織來作致動器。凱斯西儲大學(xué)正在研究堅硬的深海生物海蝸牛,用它們的細(xì)胞來制作生物混合機(jī)器人致動器。因為海蝸牛生活在潮間地帶,因此可以經(jīng)受溫度和環(huán)境含鹽濃度在一天之中發(fā)生巨大的變化。退潮后,海蝸牛就會被困在潮水留下的水洼中。當(dāng)太陽升起之后,環(huán)境溫度會不斷上升,水洼中的水分被蒸發(fā)掉之后,周圍環(huán)境含鹽濃度也會不斷上升。而在下雨的時候,情況剛好相反,周圍環(huán)境的含鹽濃度會因為被雨水稀釋而下降。當(dāng)潮水再次來臨的時候,海蝸牛才能從水洼中被解放出來。因此,海蝸牛在不斷進(jìn)化的過程中形成了非常堅硬的細(xì)胞組織以適應(yīng)這種多變的環(huán)境。

    我們已經(jīng)能夠用海蝸牛的活體組織來控制生物混合機(jī)器人的行動,這說明我們可以利用這種抗性極強的組織來研制更堅固的生物機(jī)器人。這種生物機(jī)器人可以搬起大約1.5英寸長1英寸寬的小塊重物。

    現(xiàn)在,在開發(fā)生物機(jī)器人時遇到的另一個重要問題是:這類設(shè)備缺乏一種板上控制系統(tǒng)。現(xiàn)在,工程師們通過外界電場或光線來控制它們。為了開發(fā)出完全自動化的生物混合機(jī)器人,我們還需要能與肌肉組織直接交互,并能為生物混合機(jī)器人提供感應(yīng)器信號輸入的控制器。其中一種設(shè)想是利用神經(jīng)元或神經(jīng)簇來作組織控制器。

    這也是為什么我們?nèi)绱丝春煤N伵T诖祟I(lǐng)域的應(yīng)用。這種海蝸牛被作為模型系統(tǒng)用于神經(jīng)生物研究已有數(shù)十年的歷史。人們對于它的神經(jīng)系統(tǒng)與肌肉之間的關(guān)系研究已經(jīng)有了不小的收獲,這讓我們用它的神經(jīng)元來作為組織控制器成為了可能。

    雖然這個領(lǐng)域的研究還處于非常早期的階段,但是研究人員對于此領(lǐng)域的前景信心滿滿。例如,已經(jīng)有研究團(tuán)隊利用蛞蝓組織研究出了微型生物混合機(jī)器人,它可以被用來尋找有害物質(zhì),或檢查管道泄漏情況。從理論上來說,由于這類設(shè)備的生物兼容性,即便它們被野生動物撕碎或者吃掉,也不會像傳統(tǒng)的機(jī)器人那樣造成環(huán)境破壞或環(huán)境污染。

    有朝一日,這些機(jī)器人可能會用人體細(xì)胞制成并用于醫(yī)療領(lǐng)域。生物機(jī)器人可以用于定向給藥、清除栓塞或者作為可控支架來使用。這類支架使用的是組織基板而非多分子材料,因此它們可以用來增強血管壁的強度,避免形成動脈瘤;并且這些設(shè)備未來還有可能繼續(xù)改造和完善,并被整合到人體之中。

    因此,生物機(jī)器人的研究確實前景一片燦爛,不過要讓它真正造福我們的生活,仍然路漫漫且修遠(yuǎn)兮。

    來源:雷鋒網(wǎng)

     
     
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