身輕體柔易推倒的生物機器人伴侶：還得等多久？

聽到機器人，大多數人腦中浮現的是一堆金屬塑料零件組成的硬邦邦玩意兒——它們通常是由各種螺母螺栓拼裝成的硬體機器人。

當下，機器人正走出實驗室，走進老百姓的日常生活承擔各項任務。對與機器人打交道的人來説，這樣的硬體設計會造成安全風險。比方説，當一個工業機器人“不小心碰到”人類工人，其後果不是開玩笑的——輕則淤血烏青，重則傷筋動骨。

如何應對硬體機器人的安全風險？

全世界的工程師們，越來越傾向於讓機器人更柔軟、順從的設計方案——外表不再是堅硬的機械，而更接近於“身輕體柔易推倒”的小動物。對於馬達這樣的傳統驅動器，這意味着使用人造“空氣肌肉”或是在傳動系統加入彈簧結構。

又比如凱斯西儲大學的Whegs機器人，它馬達和足輪之間有一個彈簧裝置。撞到人時，彈簧能吸收一部分能量，降低人身傷害。見下圖：

但是一個發展中的研究領域決定另闢蹊徑，研究人員們*通過把機器人技術和生物組織工程結合，開始用活的肌肉組織、細胞製造機器人。通過光、電刺激讓細胞收縮，研究人員能控制機器人肢體的彎曲，使它們作出划水、爬行等動作。*這樣製造出來的生物機器人體態柔軟，跟動物很類似。對於在人的身邊工作，這類機器人顯然更安全。而且，相比傳統機器人，它們對環境的破壞更小。另外，生物機器人主要使用營養來補充能量，不需要大型電池組。這使它們比硬體機器人更輕。

如何開發生物機器人？

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

但是，如果把細胞組織直接放置到模製骨架上，會造成前者在各個方向的“野蠻生長”。這意味着，用電刺激讓它們動作時，細胞組織的收縮力量會均勻應用於各個方向——根本無法精確控制，而且效率低下。

為了更好控制細胞的力量，研究人員求助於細胞圖案化技術（micropatterning）。他們用細胞喜歡攀附其上的材質，把微尺度線條印在骨架上。這些線條起到嚮導作用——細胞組織傾向於沿着它生長。於是，研究人員獲得了符合設計圖案的細胞排列，如何把肌肉收縮力量施加於基板變得可控。因此，所有細胞能夠協作起來，使生物機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。

仿生合成生物機器人

除了各種生物合成機器人，研究人員們還通過只使用天然材料，創造出了一些“純”生物機器人——*基板的高分子聚合物被皮膚膠原取代，成為機器人的軀體。*當它們受到電刺激，可以爬行或游泳。有研究人員受到醫學組織工程技術的啓發，開發出能使用直角手臂（懸臂）向前移動的機器人。

還有學者從自然界獲得靈感，創造出仿生生物合成機器人。比如，一支加州理工學院的團隊開發出仿生水母機器人“medusoid”，它有環形排列的觸手。藉助細胞圖案化技術，每一隻觸手都有打印的蛋白質線條，使細胞按照類似於真實水母肌肉組織的方式排列。細胞收縮時，觸手向內彎曲，推動水母機器人向前遊動。

最近，哈佛大學的研究人員們展示瞭如何“駕馭”生物合成機器人。他們使用轉基因心臟細胞，製作出一個仿生魔鬼魚（蝠鱝）機器人，並能讓它遊動。這些經過基因編輯的心肌細胞，能對特定頻率的光線做出反應——機器人一側的細胞按照一個頻率，另外一側是另一個頻率，這樣就能通過光線變化控制遊動的左右方向。

至於向前遊動，當研究人員把光線投射到機器人前部，那裏的細胞會收縮，並把電信號沿魚體傳遞下去。魚體由首至尾的交替收縮運動，推動機器人前進。

更強壯的生物機器人

雖然生物合成機器人領域已經有了許多突破性進展，但把這些機器人商業化並投入使用的時機遠未成熟。目前，這些機器人產品壽命短、力量輸出小，極大限制了處理各項任務的速度和能力。另外，使用鳥類和哺乳動物細胞開發的機器人對環境十分敏感。舉例來説，環境温度必須保持與生物體温接近。還有，和動物一樣，細胞需要定期補充營養——喂營養液*。一個潛在的解決方案是：把生物機器人包裝起來*（類似皮膚對人的保護），所以外部環境的影響不再那麼致命，營養液的補充也可以建立起一個內部系統（就像為人體細胞提供營養的血液循環系統）。

*另外一個方案是：**使用更皮實的細胞作為驅動器。*最近在凱斯西儲大學，學者們通過研究生命力頑強的海蝸牛（Aplysiacalifornica），探索它的可行性。海蝸牛棲息於潮間帶，每天都會經歷巨幅温差和鹽度差。退潮時，有的海蝸牛會困在淺灘，水分會隨光照蒸發。下雨時，周圍環境的鹽濃度又會巨幅下降。為適應複雜多變的棲息地狀況，海蝸牛進化出堅硬的殼來保護自己。

研究人員實現了把海蝸牛肌肉組織作為驅動器，來驅動生物合成機器人。這意味着，我們能用這些更強壯的細胞組織來製造生物機器人。雷鋒網獲悉，目前該機器人已能搬運不大的物體——1.6英寸長1英寸寬。

挑戰與展望

生物機器人的另一大挑戰是，目前還沒有研發出任何一種機載控制系統（裝在機器人上）。工程師們只能通過外部電場或者光線控制它們。為了開發出完全自主的生物合成機器人，我們需要能直接與機器人肌肉組織交流、並提供傳感器輸入的的控制器。看似最直接的方案（難度可能也最大）是：使用神經元或神經元集羣組成的神經中樞，來作為生物控制器。

這是研究人員為什麼對海蝸牛那麼在意的另一個原因：它被被神經生物學研究當作模型系統，已有很多年。它的神經系統與肌肉之間的關係已經研究得比較透徹。這為把它的神經元作為生物控制器，打開了大門。將來，研究人員希望能借助生物控制器，告訴機器人怎麼移動，並幫助它處理各種任務，比如説尋找有毒物質和跟隨燈光。

合成生物領域正處在嬰兒期，但研究人員們已為它設想了許多應用場景。比如説，可以造出一批使用海蝸牛組織的迷你機器人，然後把一大羣釋放到水庫或者海水裏，搜尋水管泄露或者有毒物質。由於這些機器人由生物組織製成，如果它們壞掉、或者被海魚吃掉，並不會對環境造成很大影響。

將來，使用人類細胞製造的生物機器人可被應用於醫療領域。就雷鋒網(公眾號：雷鋒網)所知，它們可以進行靶向藥物輸送、處理血栓，或成為可控制、可調節的血管支架。這些迷你機器人裝置能強化衰弱的血管，來預防動脈瘤。由於使用生物介質，而不是高分子聚合物，它們能被重新調整，並隨時間成為患者身體的一部分。另外，生物組織工程學的進展（比如開發人造血液循環系統）很可能打開一扇新的大門：靠肌肉行動的大型生物機器人。

到了那時，在外表上將很難分辨出動物和生物機器人的區別。更耐人深思的是，到了那一步，造出具有人類生物學特徵的“類人”機器人將在技術上成為可能——至於現實中會不會有人這麼做，將取決於倫理的進步和立法。但小編捫心自問：男同志裏有幾個能抗拒“女僕”的誘惑呢？（喂，老王機器人公司嗎，我想訂一個春日野穹）技術的發展是不可逆的，潘多拉魔盒一旦打開，就沒有返回。這裏用潘多拉作比方或許很不恰當——因為這項技術進步的結果並不是好、壞所能形容，而是對倫理、道德、生命、人的重新定義，帶來社會方方面面的徹底變革。

雷鋒網此時就要説一句了*：當機器人成為了人，人也不再是“人”了吧，至於生物機器人日後將會以怎樣的形態發展，還請拭目以待啊。*