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| 本文作者： 三川 | 2016-12-19 20:46 |
聽到機器人，大多數(shù)人腦中浮現(xiàn)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說，這樣的硬體設計會造成安全風險。比方說，當一個工業(yè)機器人“不小心碰到”人類工人，其后果不是開玩笑的——輕則淤血烏青，重則傷筋動骨。
全世界的工程師們，越來越傾向于讓機器人更柔軟、順從的設計方案——外表不再是堅硬的機械，而更接近于“身輕體柔易推倒”的小動物。對于馬達這樣的傳統(tǒng)驅動器，這意味著使用人造“空氣肌肉”或是在傳動系統(tǒng)加入彈簧結構。
德國 Festo ：空氣肌肉機器人概念圖
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：
Roomba 掃地機器人是另一個例子，它的保險杠由彈簧承載，不會破壞撞到的東西（類似汽車的翼子板）。
Roomba 保險杠的彈簧承載裝置
但是一個發(fā)展中的研究領域決定另辟蹊徑，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、細胞制造機器人。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，使它們作出劃水、爬行等動作。這樣制造出來的生物機器人體態(tài)柔軟，跟動物很類似。對于在人的身邊工作，這類機器人顯然更安全。而且，相比傳統(tǒng)機器人，它們對環(huán)境的破壞更小。另外，生物機器人主要使用營養(yǎng)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。
鈦板上的生物機器人
研究人員通過繁殖細胞來制造生物機器人。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(zhì)是高分子聚合物（polymer），制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制骨架上，會造成前者在各個方向的“野蠻生長”。這意味著，用電刺激讓它們動作時，細胞組織的收縮力量會均勻應用于各個方向——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，研究人員求助于細胞圖案化技術（micropatterning）。他們用細胞喜歡攀附其上的材質(zhì)，把微尺度線條印在骨架上。這些線條起到向導作用——細胞組織傾向于沿著它生長。于是，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于基板變得可控。因此，所有細胞能夠協(xié)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。
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(chuàng)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(yī)學組織工程技術的啟發(fā)，開發(fā)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(chuàng)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(fā)出仿生水母機器人“ medusoid”，它有環(huán)形排列的觸手。借助細胞圖案化技術，每一只觸手都有打印的蛋白質(zhì)線條，使細胞按照類似于真實水母肌肉組織的方式排列。細胞收縮時，觸手向內(nèi)彎曲，推動水母機器人向前游動。
仿生水母機器人“ medusoid”
最近，哈佛大學的研究人員們展示了如何“駕馭”生物合成機器人。他們使用轉基因心臟細胞，制作出一個仿生魔鬼魚（蝠鲼）機器人，并能讓它游動。這些經(jīng)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游動的左右方向。
至于向前游動，當研究人員把光線投射到機器人前部，那里的細胞會收縮，并把電信號沿魚體傳遞下去。魚體由首至尾的交替收縮運動，推動機器人前進。
仿生魔鬼魚機器人，金色部分是骨架（另見本文首圖）
雖然生物合成機器人領域已經(jīng)有了許多突破性進展，但把這些機器人商業(yè)化并投入使用的時機遠未成熟。目前，這些機器人產(chǎn)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(fā)的機器人對環(huán)境十分敏感。舉例來說，環(huán)境溫度必須保持與生物體溫接近。還有，和動物一樣，細胞需要定期補充營養(yǎng)——喂營養(yǎng)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(huán)境的影響不再那么致命，營養(yǎng)液的補充也可以建立起一個內(nèi)部系統(tǒng)（就像為人體細胞提供營養(yǎng)的血液循環(huán)系統(tǒng)）。
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（ Aplysia californica），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，有的海蝸牛會困在淺灘，水分會隨光照蒸發(fā)。下雨時，周圍環(huán)境的鹽濃度又會巨幅下降。為適應復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(xiàn)了把海蝸牛肌肉組織作為驅動器，來驅動生物合成機器人。這意味著，我們能用這些更強壯的細胞組織來制造生物機器人。雷鋒網(wǎng)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。
部分采用海蝸牛組織的生物機器人
生物機器人的另一大挑戰(zhàn)是，目前還沒有研發(fā)出任何一種機載控制系統(tǒng)（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(fā)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、并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(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。
這是研究人員為什么對海蝸牛那么在意的另一個原因：它被被神經(jīng)生物學研究當作模型系統(tǒng)，已有很多年。它的神經(jīng)系統(tǒng)與肌肉之間的關系已經(jīng)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，告訴機器人怎么移動，并幫助它處理各種任務，比如說尋找有毒物質(zhì)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。比如說，可以造出一批使用海蝸牛組織的迷你機器人，然后把一大群釋放到水庫或者海水里，搜尋水管泄露或者有毒物質(zhì)。由于這些機器人由生物組織制成，如果它們壞掉、或者被海魚吃掉，并不會對環(huán)境造成很大影響。
將來，使用人類細胞制造的生物機器人可被應用于醫(yī)療領域。就雷鋒網(wǎng)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(diào)節(jié)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(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器人。
抱著弗蘭肯斯坦的維克多
到了那時，在外表上將很難分辨出動物和生物機器人的區(qū)別。更耐人深思的是，到了那一步，造出具有人類生物學特征的“類人”機器人將在技術上成為可能——至于現(xiàn)實中會不會有人這么做，將取決于倫理的進步和立法。但小編捫心自問：男同志里有幾個能抗拒“女仆”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(fā)展是不可逆的，潘多拉魔盒一旦打開，就沒有返回。這里用潘多拉作比方或許很不恰當——因為這項技術進步的結果并不是好、壞所能形容，而是對倫理、道德、生命、人的重新定義，帶來社會方方面面的徹底變革。
雷鋒網(wǎng)此時就要說一句了：當機器人成為了人，人也不再是“人”了吧，至于生物機器人日后將會以怎樣的形態(tài)發(fā)展，還請拭目以待啊。
via futurism
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