用機(jī)器“大腦”操縱蠕蟲運(yùn)動(dòng)

赤道

微型機(jī)器人進(jìn)化史

6月底，國(guó)際機(jī)器人學(xué)術(shù)頂刊Science Robotics上最新發(fā)表的一篇新論文，描述了一種用機(jī)器視覺、運(yùn)動(dòng)控制和導(dǎo)航等算法取代線蟲大腦、精密操控活體線蟲運(yùn)動(dòng)的新方法，創(chuàng)造出一個(gè)不受束縛的、高度可控的微型軟體機(jī)器人，并將其命名為RoboWorm（軟體機(jī)器蠕蟲）。

受益于數(shù)百萬(wàn)年的進(jìn)化，動(dòng)物已經(jīng)發(fā)展出復(fù)雜的身體結(jié)構(gòu)、高效的能量流鏈以及超越任何人造機(jī)器的先進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。與大多數(shù)機(jī)器人不同，動(dòng)物表現(xiàn)出對(duì)環(huán)境的極端適應(yīng)、多種運(yùn)動(dòng)模式以及對(duì)干擾的高度適應(yīng)能力。

在人類工業(yè)時(shí)代的創(chuàng)造中，動(dòng)物影響著各類機(jī)器人的發(fā)展，例如跳躍機(jī)器人、游泳機(jī)器人、步行機(jī)器人和飛行機(jī)器人等等。然而，低至微米級(jí)的機(jī)器人，粘性力和摩擦力通常比重力高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這導(dǎo)致有效微型機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)和執(zhí)行器的設(shè)計(jì)、制造和材料開發(fā)的固有困難最近開發(fā)的微型機(jī)器人系統(tǒng)是基于各種特殊致動(dòng)機(jī)構(gòu)——如磁、光子、超聲波和化學(xué)致動(dòng)，例如藥物控制遞送、內(nèi)細(xì)胞器的表征和精細(xì)的醫(yī)療手術(shù)。

然而，與自然對(duì)應(yīng)物相比，仿生微型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)通常被大大簡(jiǎn)化，以促進(jìn)微型機(jī)器人的制造和驅(qū)動(dòng)。因此，這種微型機(jī)器人的性能無法與生物有機(jī)體的性能相提并論。

盡管機(jī)器人在正常尺寸范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展，但微型機(jī)器人設(shè)計(jì)在一定程度上受到驅(qū)動(dòng)機(jī)制和高密度能源無縫集成等技術(shù)瓶頸的限制。最近，直接利用微生物的運(yùn)動(dòng)或生物組織的驅(qū)動(dòng)來構(gòu)建生物混合微型機(jī)器人已成為微型機(jī)器人開發(fā)的一種有前途的策略。

在過去十年中，生物體和生物組織中直接集成微型機(jī)器人已經(jīng)有很多實(shí)例。例如，趨磁細(xì)菌的游動(dòng)方向受外磁或化學(xué)物質(zhì)領(lǐng)域的引導(dǎo)，能準(zhǔn)確遞送藥物用于治療目的，例如腫瘤治療。還有構(gòu)建生物混合微型機(jī)器人的方式，通過將精子頭部捕獲在卷起的磁性微錐內(nèi)，用精子尾部作為推進(jìn)鞭毛，外部磁場(chǎng)可調(diào)節(jié)人工受精的游泳方向。

機(jī)器人精密控制活體線蟲

由于工程或重新設(shè)計(jì)動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)的挑戰(zhàn)以及缺乏準(zhǔn)確表征動(dòng)物行為的生物力學(xué)模型，大多數(shù)生物混合微型機(jī)器人設(shè)計(jì)僅涉及簡(jiǎn)單的生物組件，并且缺乏在運(yùn)動(dòng)過程中協(xié)調(diào)這些驅(qū)動(dòng)組件的身體級(jí)智能。

所以研究人員提出了一種將秀麗隱桿線蟲轉(zhuǎn)化為軟體微型機(jī)器人的方法。與細(xì)菌微型游泳者和精子微型機(jī)器人不同，研究人員對(duì)秀麗隱桿線蟲的遺傳和神經(jīng)系統(tǒng)采取工程改造的策略，以便蠕蟲的身體肌肉細(xì)胞（作為其“執(zhí)行器”）可以通過光遺傳學(xué)方法自動(dòng)控制，能夠以高度可控的方式調(diào)節(jié)活體線蟲的運(yùn)動(dòng)。

該線蟲使用的是一種轉(zhuǎn)基因菌株，它在其身體肌肉細(xì)胞（在蠕蟲身體的背側(cè)和腹側(cè)）的膜上表達(dá)具有myo 3啟動(dòng)子的視紫紅質(zhì)2（chR2）離子通道。用藍(lán)色激光束（473 rlin）照射肌肉細(xì)胞可以立即觸發(fā)ca2+離子通過ChR2通道流入，并激發(fā)被照射的肌肉細(xì)胞以肌肉扭矩收縮和彎曲周圍的身體部位。

通過用伊維菌素麻痹蠕蟲，中斷負(fù)責(zé)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的感覺運(yùn)動(dòng)程序并用機(jī)器人技術(shù)取代了其原始感覺神經(jīng)元、中間神經(jīng)元和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的功能，包括圖像處理（用于蠕蟲身體跟蹤和識(shí)別）、時(shí)空調(diào)節(jié)光遺傳肌肉激發(fā)和自動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制。圖像處理算法實(shí)時(shí)計(jì)算蠕蟲體的位置和曲率，然后將這些反饋信號(hào)提供給控制器，用于生成微圖案激光束以激活蠕蟲體的爬行步態(tài)。通過這種閉環(huán)方法，科學(xué)家控制了一個(gè)完全癱瘓的蠕蟲，產(chǎn)生了主要的蠕蟲爬行行為，從而將其轉(zhuǎn)化為可控的RoboWorm。

在線蟲上用激光驅(qū)動(dòng)肌肉群激活的圖示，用于控制運(yùn)動(dòng)，在各種激光強(qiáng)度下蠕蟲肌肉彎曲反應(yīng)的照片（比例尺100微米）

無名小蟲如何登上科學(xué)殿堂？線蟲已成為發(fā)育生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、基因功能研究的新寵

已成為研究熱點(diǎn)的小RNA、microRNA，是在線蟲中首先被發(fā)現(xiàn)并開展其功能研究的。線蟲還是第一個(gè)被完整測(cè)序的多細(xì)胞真核生物，在其近2萬(wàn)個(gè)蛋白編碼基因中，有60%80%與人類基因同源。

小小的秀麗隱桿線蟲為何名聲大噪？時(shí)間回到上個(gè)世紀(jì)70年代，把它帶進(jìn)科學(xué)殿堂來的是當(dāng)時(shí)在劍橋大學(xué)的悉尼·布雷內(nèi)。他于1927年出生于南非，1954年在牛津大學(xué)獲得博士學(xué)位。

作為第一代的分子生物學(xué)家，布雷內(nèi)最早用實(shí)驗(yàn)證明了編碼蛋白質(zhì)的遺傳密碼是三聯(lián)密碼子，并報(bào)道了移碼突變的現(xiàn)象。上世紀(jì)60年代末，布雷內(nèi)意識(shí)到分子生物學(xué)作為一門學(xué)科已經(jīng)基本確立，激動(dòng)人心的初創(chuàng)階段已經(jīng)過去，他需要尋找新的科學(xué)領(lǐng)域去探索和征服，此時(shí)的他最想了解的是發(fā)育和神經(jīng)系統(tǒng)所呈現(xiàn)出的復(fù)雜性。

在布雷內(nèi)涉足之前，已有很多科學(xué)家利用其他模式生物，如海膽、大烏賊、兩棲類、小鼠等在這兩個(gè)領(lǐng)域中開展了大量工作，取得了重要的成果，但布雷內(nèi)認(rèn)為這些系統(tǒng)仍然太過復(fù)雜，難以著手研究，他需要一種新的模式生物來研究他所關(guān)心的領(lǐng)域，正如他在1963年寫給劍橋科學(xué)委員會(huì)的信中所言：“我們需要一種生命周期短的多細(xì)胞生物，這種生物應(yīng)該滿足個(gè)體小，容易培養(yǎng)，可如同微生物一樣進(jìn)行大批量操作的條件。構(gòu)成身體的細(xì)胞數(shù)量相對(duì)較少，可以對(duì)構(gòu)成細(xì)胞的形態(tài)和譜系進(jìn)行窮盡性研究，可以開展遺傳分析。”布雷內(nèi)的最終選擇便是——秀麗隱桿線蟲。

布雷內(nèi)實(shí)驗(yàn)室花了近十年的時(shí)間，才發(fā)表了第一篇有關(guān)線蟲的文宣，可謂十年磨一劍。1974年，他們?cè)贕enetics上發(fā)表了題為《Genetics 0f Caenorhabditis elegans》的文章，公布了線蟲基因的物理圖譜，標(biāo)志著對(duì)線蟲的研究正式拉開帷幕。

為什么這些年科學(xué)家致力于把秀麗隱桿線蟲作為Open Worm（開放蠕蟲）的項(xiàng)目？因?yàn)樗亲匀唤缰袚碛猩窠?jīng)系統(tǒng)的最簡(jiǎn)單的生物之一。秀麗隱桿線蟲共有1090個(gè)細(xì)胞，其中302個(gè)（或381個(gè)）神經(jīng)元細(xì)胞，約占體細(xì)胞總數(shù)三分之一。而且這種生物的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，神經(jīng)與肌肉間的接口有六百余個(gè)。

如果是熟悉神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人，一定會(huì)知道，我們的思想、行為基本都來自神經(jīng)元之間的傳遞和感應(yīng)，如果說神經(jīng)系統(tǒng)是我們的“精神”，那么剩下的細(xì)胞基本用于組成我們的肌肉、骨骼、血液等等，也就是我們的“肉體”。

所以，能夠完全模擬線蟲神經(jīng)細(xì)胞的OpenWorm，等于在真正意義上“掌握”了創(chuàng)造秀麗隱桿線蟲的方法。普通機(jī)器人一般是應(yīng)用了SLAM算法（即時(shí)定位與地圖構(gòu)建），構(gòu)建完房間內(nèi)的地圖后就不會(huì)再碰壁。而Open Worm的動(dòng)作完全來自從傳感器到神經(jīng)元處理，再通過軸突傳遞到“肌肉（機(jī)器人的輪子）”并進(jìn)行動(dòng)作的過程。

換句話說，普通機(jī)器人的動(dòng)作是提前寫代碼寫好的，而搭載了Open Worm的機(jī)器人的動(dòng)作是自發(fā)的。那模仿這樣簡(jiǎn)單的生物究竟有什么意義呢？因?yàn)榫€蟲的神經(jīng)細(xì)胞雖然少，卻能感受外界刺激，受溫度、觸摸等等影響可以調(diào)動(dòng)神經(jīng)細(xì)胞刺激肌肉做出相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，甚至可以做出進(jìn)食、排泄、求偶等等行為——可以說是非常像人了。這也是Open Worm項(xiàng)目背后的終極目的，一步步模仿動(dòng)物的神經(jīng)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)，直到可以研究人類。