生物機器人，離我們有多遠

網易

聽到機器人，大多數人腦海中浮現的是由一堆金屬和塑料零件組成的硬邦邦的玩意兒——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中承擔各項任務。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，當一個工業機器人“不小心碰到”人類工人，其后果不是開玩笑的——輕則瘀血、烏青，重則傷筋動骨。

如何應對硬體機器人的安全風險

工程師們越來越傾向于設計更柔軟、順從的機器人——外表不再是堅硬的機械的機器人，而更接近于“身輕體柔”的小動物。

一些研究人員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，使它們做出劃水、爬行等動作。這樣制造出來的生物機器人體態柔軟，跟動物很類似。在人的身邊工作的話，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液來補充能量，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制造生物機器人。他們一般會選用雞、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，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，會造成細胞組織在各個方向“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。

為了更好地控制細胞的力量，研究人員求助于細胞圖案化技術。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，所有的細胞能夠協作起來，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。這些機器人在受到電刺激時，可以爬行或游泳。有研究人員受到醫學組織工程技術的啟發，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，創造出仿生合成生物機器人。比如，加州理工學院的一支團隊開發出仿生水母機器人“medusoid”，它有環形排列的觸手。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，觸手向內彎曲，推動水母機器人向前游動。

之前，哈佛大學的研究人員展示了如何“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。這些經過基因編輯的心肌細胞，能對特定頻率的光線作出反應——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，那里的細胞就會收縮，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。

更強壯的生物機器人

雖然生物合成機器人技術已經有了許多突破性進展，但把這些機器人商業化并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。比如，環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——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么致命，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：使用更強壯的細胞作為驅動器。凱斯西儲大學的學者們通過研究生命力頑強的海蝸牛，探索它的可行性。海蝸牛棲息于潮間帶，每天都會經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。下雨時，周圍環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。

研究人員已經可以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。目前該機器人已能搬運不大的物體。

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可以裝在機器人上的機載控制系統。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，并提供傳感器輸入的控制器。看似最直接（難度可能也最大）的方案是：使用神經元或神經元集群組成的神經中樞，來作為生物控制器。

這是研究人員對海蝸牛那么在意的另一個原因：它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系已經被研究得比較透徹。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，告訴機器人怎么移動，并幫助它處理各種任務，比如說尋找有毒物質和跟隨燈光。

雖然合成生物技術正處在“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，然后把一大群迷你機器人釋放到水庫或者海水里，搜尋泄漏的水管或者有毒物質。由于這些機器人由生物組織制成，如果它們壞掉或者被魚吃掉，并不會對環境造成很大影響。

將來，使用人類細胞制造的生物機器人可以應用于醫療領域。據了解，它們可以進行靶向藥物輸送、處理血栓，或成為可控制、調節的血管支架。這些迷你機器人裝置能強化衰弱的血管，預防動脈瘤。由于使用生物介質，而不是高分子聚合物，它們能被重新調整，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，從外表上將很難分辨出動物和生物機器人的區別。更令人深思的是，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——至于現實中會不會有人這么做，將取決于倫理的進步和立法。技術的發展是不可逆的，潘多拉魔盒一旦打開，就不可回頭。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，將帶來社會方方面面的變革。endprint