类生命机器人丨发展与未来挑战

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1.

类生命机器人

类生命机器人，又称为生物机器人、生物融合机器人、生物混合机器人等，是一种将生命系统与机电系统在分子、细胞和组织尺度进行深度有机融合的新的机器人系统。

这种机器人系统有望集生命体的优点（如高能量效率、高功率质量比和高能量密度）和机电系统的优势（如高精准性、高强度、良好的可重复性和可控性）于一身。

类生命机器人已经成为当今机器人领域的研究热点，并且在过去十年中取得了重要的突破。

☝类生命机器人系统优势

 2.

类生命·缘起

较为早期的类生命机器人报道于2005年[1]。该机器人的研究者通过采用可自主收缩的心肌细胞作为驱动单元，实现了类生命机器人单一方向的运动。这就是类生命机器人系统的雏形。

☝心肌细胞驱动下的微器件移动示意图[1]

随后，研究者采用收缩可控的活体生物材料，使得类生命机器人具有单一的运动可控性。

近年来，为了使类生命机器人具有一定的执行功能，通过引入机器人设计方法和控制理论，使类生命机器人的运动速度和方向具有可控性。

 3.

常用的活体生物材料

为了实现类生命机器人的驱动、感知及能量供给等功能，不同活体生物材料已经被应用于类生命机器人研究中，如心肌细胞、骨骼肌细胞、昆虫背血管组织和鞭毛型游动微生物等。每种生物材料都有其独特的性能。

Cardiomyocytes

心肌细胞

心肌细胞具有自发收缩的特性，其收缩主要由肌纤维膜上特殊离子通道中的一系列特殊离子流产生的动作电位所引发。单个心肌细胞收缩力最少可达1μN，而心肌细胞簇能够产生1~4kPa的收缩应力。

由于心肌细胞可以在没有任何外界辅助的情况下产生自发、有节律的收缩运动，因此利用心肌细胞制造类生命机器人相对容易。

但同样因为心肌细胞可以自发收缩，使研究人员难以精准控制其收缩时间及幅值，因此使心肌细胞驱动类生命机器人的运动控制成为难题。

☝  心肌细胞驱动微型类生命游动机器人

在低雷诺数液体环境中游动[2]

Skeletal muscles

骨骼肌

骨骼肌可以在神经系统刺激或者是外界电脉冲刺激的情况下可产生高达400 μN收缩力。因此，研究者已将电脉冲刺激引用到组织工程骨骼肌驱动类生命机器人的控制研究中。

目前，如何进一步提高活体生物材料的收缩力成为了研究热点。研究者已采用多种不同的方法来提高组织工程骨骼肌的分化和收缩特性。

Dorsal vessel tissue

背血管组织

背血管组织是另一种可以作为类生命机器人生物驱动器的活体生命材料。这种生物材料能够进行自发、有节律的收缩，也可在外界条件刺激下控制收缩，并且不需要像培养哺乳动物细胞那样严格的培养条件。

由于其具有较好的尺寸特性、收缩力、鲁棒性以及控制特性，作为活体生物驱动器，昆虫背血管组织已经被广泛应用到类生命机器人研究中。

Microorganisms

微生物

微生物具有自驱动和自感知外界刺激而产生响应的功能，已经被广泛应用于类生命机器人的研究中，如鞭毛细菌、滑动细菌、原生动物和藻类等。

这些可运动的微生物依靠自身的动力在液体环境或基底移动；其分子马达通过消耗环境中营养（如葡萄糖）就可以产生充沛的动力。

基于微生物对外界环境刺激的响应特性，单个或群体微生物的运动可由不同的方法所控制，如化学刺激、磁场刺激、电场刺激、光刺激、温度刺激及氧刺激。

基于微生物的类生命机器人除了具有尺寸小、运动可控外，其最主要的优点在于其环境适应性较强。

☝一款用于抗癌药物输送的鞭毛细菌驱动

微型类生命生物医药机器人[3]

4.

常用的非生命材料及其加工方法

非生命材料是类生命机器人的重要组成部分，为活体生物材料提供骨架支撑、生长环境以及黏附表面。

非生命材料的机械特性更是会影响机器人的整体性能，如浮动、形变及运动速度；而其微结构、杨氏模量、亲水性、生物兼容性以及电导性等也会影响活体生物材料的生长状态，如黏附性、增值特性、分化特性、排列性和肌细胞收缩性等。

常用的非生命材料包括结构材料（如PDMS、水凝胶、树脂材料和SU-8）及生长材料（如基质胶、纤维蛋白原、纤维链接素蛋白和胶原蛋白）。

不同的非生命材料具有不同的生物和物理特性，从而它们需要不同的加工制造使能技术，如铸造法、表面旋涂法、切割薄膜法和3D打印法等。

通过结合多种不同性质的材料，如硬质材料、软体材料以及导电材料，可提高机器人在感知、智能及驱动方面的功能。因此，科学家发明了多种材料复合3D打印技术，用来促进类生命机器人的发展。

☝ 采用3D打印机制作由多种非生命材料与

活体心肌细胞相结合的器件[4]

 5.

控制方法

可控性是可执行任务的类生命机器人的重要属性。

>>电刺激控制方法

优势：优化活体生物材料状态；促进细胞增值、成熟及分化；控制肌细胞或组织的收缩运动；控制细菌等微生物的运动方向；具有较高的时间分辨率。

劣势：空间分辨率低。

要想解决这一劣势，需要将刺激电极集成至基底，或使刺激电极与被控制的细胞或组织直接接触，但可能造成活体生物材料损伤。

>>光刺激控制方法

优势：时间、空间分辨率较高。

劣势：有些光源和会聚光，如紫外线，会造成细胞和微生物等活体生物材料的DNA或蛋白质损伤。

>>化学刺激控制方法

优势：具有自动控制功能。

劣势：时间和空间分辨率都很低；具有潜在毒性；当类生命机器人距化学源较远时，随着扩散距离的增加，化学浓度将快速降低，控制作用随之减弱。

>>磁力控制方法

优势：无毒性，非接触，高穿透力。

劣势：需要采用复杂的控制设备和算法才能实现精准控制。

6.

类生命机器人研究面临的挑战

>>缺乏类生命感知与智能研究

在类生命驱动研究中，采用活体心肌细胞和骨骼肌细胞作为驱动单元；基于同样的原理，我们亟需探索采用活体生物材料实现的类生命机器人感知与智能功能。

>>缺乏活体生物材料

对于具有驱动、感知等功能的活体生命材料的研究应引入新的科技手段，如生物融合及基因工程的技术。

>>缺乏活体生物材料的长期生命维持技术

亟需探索可以制作具备生命体所需的培养环境的类生命机器人本体结构新型材料及相应的加工方法（如智能生物材料、4D打印技术以及恒温系统等）。

>>控制方法存在缺陷

亟需探索可应用于多重复杂环境的类生命机器人通用控制方法。

>>缺乏信息获取、处理及信息接口技术

智能机器人的信息接口技术是机器人关键技术。然而，目前有关类生命机器人信息技术方面的研究工作很少。信息技术的引入将有可能促进类生命机器人的高速发展。

此外，类生命机器人感知模块、信息处理单元以及驱动执行器的集成研究也将是未来类生命机器人所面临的重大挑战。

改编丨张楠

改编来源：

Zhang C, Wang W, Xi N, Wang Y, Liu L. Development and Future Challenges of Bio-Syncretic Robots. Engineering 2018;4(4):452‒463.

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参考资料：

[1] Xi J, Schmidt JJ, Montemagno CD. Self-assembled microdevices driven by muscle. Nat Mater 2005;4(2):180–184.

[2] Williams BJ, Anand SV, Rajagopalan J, Saif MT. A self-propelled biohybrid swimmer at low Reynolds number. Nat Commun 2014;5:3081.

[3] Cho S, Park SJ, Ko SY, Park JO, Park S. Development of bacteria-based microrobot using biocompatible poly(ethylene glycol). Biomed Microdevices 2012;14(6):1019–1025.

[4] Lind JU, Busbee TA, Valentine AD, Pasqualini FS, Yuan H, Yadid M, et al. Instrumented cardiac microphysiological devices via multimaterial threedimensional printing. Nat Mater 2017;16(3):303–308.

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