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“身轻体柔易推倒”的生物机器人,离我们还有多远?

本文作者:三川 2016-12-19 20:46
导语:虽然生物合成机器人领域有许多突破性进展,但把这些机器人商业化并投入使用的时机远未成熟。

“身轻体柔易推倒”的生物机器人,离我们还有多远?

听到机器人,大多数人脑中浮现的是一堆金属塑料零件组成的硬邦邦玩意儿——它们通常是由各种螺母螺栓拼装成的硬体机器人。当下,机器人正走出实验室,走进老百姓的日常生活承担各项任务。对与机器人打交道的人来说,这样的硬体设计会造成安全风险。比方说,当一个工业机器人“不小心碰到”人类工人,其后果不是开玩笑的——轻则淤血乌青,重则伤筋动骨。

如何应对硬体机器人的安全风险?

全世界的工程师们,越来越倾向于让机器人更柔软、顺从的设计方案——外表不再是坚硬的机械,而更接近于“身轻体柔易推倒”的小动物。对于马达这样的传统驱动器,这意味着使用人造“空气肌肉”或是在传动系统加入弹簧结构。

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德国 Festo :空气肌肉机器人概念图

又比如凯斯西储大学的 Whegs 机器人,它马达和足轮之间有一个弹簧装置。撞到人时,弹簧能吸收一部分能量,降低人身伤害。见下图:

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Roomba 扫地机器人是另一个例子,它的保险杠由弹簧承载,不会破坏撞到的东西(类似汽车的翼子板)。

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Roomba 保险杠的弹簧承载装置

但是一个发展中的研究领域决定另辟蹊径,研究人员们通过把机器人技术和生物组织工程结合,开始用活的肌肉组织、细胞制造机器人。通过光、电刺激让细胞收缩,研究人员能控制机器人肢体的弯曲,使它们作出划水、爬行等动作。这样制造出来的生物机器人体态柔软,跟动物很类似。对于在人的身边工作,这类机器人显然更安全。而且,相比传统机器人,它们对环境的破坏更小。另外,生物机器人主要使用营养来补充能量,不需要大型电池组。这使它们比硬体机器人更轻。

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钛板上的生物机器人

如何开发生物机器人?

研究人员通过繁殖细胞来制造生物机器人。一般他们会选用鸡、老鼠的心肌或者骨骼肌,在对活细胞无毒副作用的支架上进行增殖。如果基板材质是高分子聚合物(polymer),制造出来的就是生物合成机器人——天然材料和人造材料的混合体。

但是,如果把细胞组织直接放置到模制骨架上,会造成前者在各个方向的“野蛮生长”。这意味着,用电刺激让它们动作时,细胞组织的收缩力量会均匀应用于各个方向——根本无法精确控制,而且效率低下。

为了更好控制细胞的力量,研究人员求助于细胞图案化技术(micropatterning)。他们用细胞喜欢攀附其上的材质,把微尺度线条印在骨架上。这些线条起到向导作用——细胞组织倾向于沿着它生长。于是,研究人员获得了符合设计图案的细胞排列,如何把肌肉收缩力量施加于基板变得可控。因此,所有细胞能够协作起来,使生物机器人的腿或者鳍能够像动物那样动作,而不是一块受到刺激就胡乱收缩的肉团。

仿生合成生物机器人

除了各种生物合成机器人,研究人员们还通过只使用天然材料,创造出了一些“纯”生物机器人——基板的高分子聚合物被皮肤胶原取代,成为机器人的躯体。当它们受到电刺激,可以爬行或游泳。有研究人员受到医学组织工程技术的启发,开发出能使用直角手臂(悬臂)向前移动的机器人。

还有学者从自然界获得灵感,创造出仿生生物合成机器人。比如,一支加州理工学院的团队开发出仿生水母机器人“ medusoid”,它有环形排列的触手。借助细胞图案化技术,每一只触手都有打印的蛋白质线条,使细胞按照类似于真实水母肌肉组织的方式排列。细胞收缩时,触手向内弯曲,推动水母机器人向前游动。

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仿生水母机器人“ medusoid”

最近,哈佛大学的研究人员们展示了如何“驾驭”生物合成机器人。他们使用转基因心脏细胞,制作出一个仿生魔鬼鱼(蝠鲼)机器人,并能让它游动。这些经过基因编辑的心肌细胞,能对特定频率的光线做出反应——机器人一侧的细胞按照一个频率,另外一侧是另一个频率,这样就能通过光线变化控制游动的左右方向。

至于向前游动,当研究人员把光线投射到机器人前部,那里的细胞会收缩,并把电信号沿鱼体传递下去。鱼体由首至尾的交替收缩运动,推动机器人前进。

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仿生魔鬼鱼机器人,金色部分是骨架(另见本文首图)

更强壮的生物机器人

虽然生物合成机器人领域已经有了许多突破性进展,但把这些机器人商业化并投入使用的时机远未成熟。目前,这些机器人产品寿命短、力量输出小,极大限制了处理各项任务的速度和能力。另外,使用鸟类和哺乳动物细胞开发的机器人对环境十分敏感。举例来说,环境温度必须保持与生物体温接近。还有,和动物一样,细胞需要定期补充营养——喂营养液。一个潜在的解决方案是:把生物机器人包装起来(类似皮肤对人的保护),所以外部环境的影响不再那么致命,营养液的补充也可以建立起一个内部系统(就像为人体细胞提供营养的血液循环系统)。

另外一个方案是:使用更皮实的细胞作为驱动器。最近在凯斯西储大学,学者们通过研究生命力顽强的海蜗牛( Aplysia californica),探索它的可行性。海蜗牛栖息于潮间带,每天都会经历巨幅温差和盐度差。退潮时,有的海蜗牛会困在浅滩,水分会随光照蒸发。下雨时,周围环境的盐浓度又会巨幅下降。为适应复杂多变的栖息地状况,海蜗牛进化出坚硬的壳来保护自己。

研究人员实现了把海蜗牛肌肉组织作为驱动器,来驱动生物合成机器人。这意味着,我们能用这些更强壮的细胞组织来制造生物机器人。雷锋网获悉,目前该机器人已能搬运不大的物体——1.6 英寸长 1 英寸宽。

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“身轻体柔易推倒”的生物机器人,离我们还有多远?

部分采用海蜗牛组织的生物机器人

挑战与展望

生物机器人的另一大挑战是,目前还没有研发出任何一种机载控制系统(装在机器人上)。工程师们只能通过外部电场或者光线控制它们。为了开发出完全自主的生物合成机器人,我们需要能直接与机器人肌肉组织交流、并提供传感器输入的的控制器。看似最直接的方案(难度可能也最大)是:使用神经元或神经元集群组成的神经中枢,来作为生物控制器。

这是研究人员为什么对海蜗牛那么在意的另一个原因:它被被神经生物学研究当作模型系统,已有很多年。它的神经系统与肌肉之间的关系已经研究得比较透彻。这为把它的神经元作为生物控制器,打开了大门。将来,研究人员希望能借助生物控制器,告诉机器人怎么移动,并帮助它处理各种任务,比如说寻找有毒物质和跟随灯光。

合成生物领域正处在婴儿期,但研究人员们已为它设想了许多应用场景。比如说,可以造出一批使用海蜗牛组织的迷你机器人,然后把一大群释放到水库或者海水里,搜寻水管泄露或者有毒物质。由于这些机器人由生物组织制成,如果它们坏掉、或者被海鱼吃掉,并不会对环境造成很大影响。

将来,使用人类细胞制造的生物机器人可被应用于医疗领域。就雷锋网(公众号:雷锋网)所知,它们可以进行靶向药物输送、处理血栓,或成为可控制、可调节的血管支架。这些迷你机器人装置能强化衰弱的血管,来预防动脉瘤。由于使用生物介质,而不是高分子聚合物,它们能被重新调整,并随时间成为患者身体的一部分。另外,生物组织工程学的进展(比如开发人造血液循环系统)很可能打开一扇新的大门:靠肌肉行动的大型生物机器人。

“身轻体柔易推倒”的生物机器人,离我们还有多远?

抱着弗兰肯斯坦的维克多

到了那时,在外表上将很难分辨出动物和生物机器人的区别。更耐人深思的是,到了那一步,造出具有人类生物学特征的“类人”机器人将在技术上成为可能——至于现实中会不会有人这么做,将取决于伦理的进步和立法。但小编扪心自问:男同志里有几个能抗拒“女仆”的诱惑呢?(喂,老王机器人公司吗,我想订一个春日野穹)技术的发展是不可逆的,潘多拉魔盒一旦打开,就没有返回。这里用潘多拉作比方或许很不恰当——因为这项技术进步的结果并不是好、坏所能形容,而是对伦理、道德、生命、人的重新定义,带来社会方方面面的彻底变革。

雷锋网此时就要说一句了:当机器人成为了人,人也不再是“人”了吧,至于生物机器人日后将会以怎样的形态发展,还请拭目以待啊。

via futurism

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