類生命機器人 發(fā)展與未來挑戰(zhàn)

類生命機器人系統(tǒng)有望集生命體的優(yōu)點和機電系統(tǒng)的優(yōu)勢于一身，已成為當今機器人領(lǐng)域的研究熱點。

1.類生命機器人

類生命機器人，又稱為生物機器人、生物融合機器人、生物混合機器人等，是一種將生命系統(tǒng)與機電系統(tǒng)在分子、細胞和組織尺度進行深度有機融合的新的機器人系統(tǒng)。

這種機器人系統(tǒng)有望集生命體的優(yōu)點（如高能量效率、高功率質(zhì)量比和高能量密度）和機電系統(tǒng)的優(yōu)勢（如高精準性、高強度、良好的可重復性和可控性）于一身。

類生命機器人已經(jīng)成為當今機器人領(lǐng)域的研究熱點，并且在過去十年中取得了重要的突破。

?類生命機器人系統(tǒng)優(yōu)勢

2.類生命·緣起

較為早期的類生命機器人報道于2005年。該機器人的研究者通過采用可自主收縮的心肌細胞作為驅(qū)動單元，實現(xiàn)了類生命機器人單一方向的運動。這就是類生命機器人系統(tǒng)的雛形。

?心肌細胞驅(qū)動下的微器件移動示意圖

隨后，研究者采用收縮可控的活體生物材料，使得類生命機器人具有單一的運動可控性。

近年來，為了使類生命機器人具有一定的執(zhí)行功能，通過引入機器人設計方法和控制理論，使類生命機器人的運動速度和方向具有可控性。

3.常用的活體生物材料

為了實現(xiàn)類生命機器人的驅(qū)動、感知及能量供給等功能，不同活體生物材料已經(jīng)被應用于類生命機器人研究中，如心肌細胞、骨骼肌細胞、昆蟲背血管組織和鞭毛型游動微生物等。每種生物材料都有其獨特的性能。

心肌細胞

心肌細胞具有自發(fā)收縮的特性，其收縮主要由肌纖維膜上特殊離子通道中的一系列特殊離子流產(chǎn)生的動作電位所引發(fā)。單個心肌細胞收縮力最少可達1μN，而心肌細胞簇能夠產(chǎn)生1~4kPa的收縮應力。

由于心肌細胞可以在沒有任何外界輔助的情況下產(chǎn)生自發(fā)、有節(jié)律的收縮運動，因此利用心肌細胞制造類生命機器人相對容易。

但同樣因為心肌細胞可以自發(fā)收縮，使研究人員難以精準控制其收縮時間及幅值，因此使心肌細胞驅(qū)動類生命機器人的運動控制成為難題。

?心肌細胞驅(qū)動微型類生命游動機器人在低雷諾數(shù)液體環(huán)境中游動

骨骼肌

骨骼肌可以在神經(jīng)系統(tǒng)刺激或者是外界電脈沖刺激的情況下可產(chǎn)生高達400 μN收縮力。因此，研究者已將電脈沖刺激引用到組織工程骨骼肌驅(qū)動類生命機器人的控制研究中。

目前，如何進一步提高活體生物材料的收縮力成為了研究熱點。研究者已采用多種不同的方法來提高組織工程骨骼肌的分化和收縮特性。

背血管組織

背血管組織是另一種可以作為類生命機器人生物驅(qū)動器的活體生命材料。這種生物材料能夠進行自發(fā)、有節(jié)律的收縮，也可在外界條件刺激下控制收縮，并且不需要像培養(yǎng)哺乳動物細胞那樣嚴格的培養(yǎng)條件。

由于其具有較好的尺寸特性、收縮力、魯棒性以及控制特性，作為活體生物驅(qū)動器，昆蟲背血管組織已經(jīng)被廣泛應用到類生命機器人研究中。

微生物

微生物具有自驅(qū)動和自感知外界刺激而產(chǎn)生響應的功能，已經(jīng)被廣泛應用于類生命機器人的研究中，如鞭毛細菌、滑動細菌、原生動物和藻類等。

這些可運動的微生物依靠自身的動力在液體環(huán)境或基底移動；其分子馬達通過消耗環(huán)境中營養(yǎng)（如葡萄糖）就可以產(chǎn)生充沛的動力。

基于微生物對外界環(huán)境刺激的響應特性，單個或群體微生物的運動可由不同的方法所控制，如化學刺激、磁場刺激、電場刺激、光刺激、溫度刺激及氧刺激。

基于微生物的類生命機器人除了具有尺寸小、運動可控外，其最主要的優(yōu)點在于其環(huán)境適應性較強。

?一款用于抗癌藥物輸送的鞭毛細菌驅(qū)動

微型類生命生物醫(yī)藥機器人

4.常用的非生命材料及其加工方法

非生命材料是類生命機器人的重要組成部分，為活體生物材料提供骨架支撐、生長環(huán)境以及黏附表面。

非生命材料的機械特性更是會影響機器人的整體性能，如浮動、形變及運動速度；而其微結(jié)構(gòu)、楊氏模量、親水性、生物兼容性以及電導性等也會影響活體生物材料的生長狀態(tài)，如黏附性、增值特性、分化特性、排列性和肌細胞收縮性等。

常用的非生命材料包括結(jié)構(gòu)材料（如PDMS、水凝膠、樹脂材料和SU-8）及生長材料（如基質(zhì)膠、纖維蛋白原、纖維鏈接素蛋白和膠原蛋白）。

不同的非生命材料具有不同的生物和物理特性，從而它們需要不同的加工制造使能技術(shù)，如鑄造法、表面旋涂法、切割薄膜法和3D打印法等。

通過結(jié)合多種不同性質(zhì)的材料，如硬質(zhì)材料、軟體材料以及導電材料，可提高機器人在感知、智能及驅(qū)動方面的功能。因此，科學家發(fā)明了多種材料復合3D打印技術(shù)，用來促進類生命機器人的發(fā)展。

?采用3D打印機制作由多種非生命材料與

活體心肌細胞相結(jié)合的器件

5. 控制方法

可控性是可執(zhí)行任務的類生命機器人的重要屬性。

>>電刺激控制方法

優(yōu)勢：優(yōu)化活體生物材料狀態(tài)；促進細胞增值、成熟及分化；控制肌細胞或組織的收縮運動；控制細菌等微生物的運動方向；具有較高的時間分辨率。

劣勢：空間分辨率低。

要想解決這一劣勢，需要將刺激電極集成至基底，或使刺激電極與被控制的細胞或組織直接接觸，但可能造成活體生物材料損傷。

>>光刺激控制方法

優(yōu)勢：時間、空間分辨率較高。

劣勢：有些光源和會聚光，如紫外線，會造成細胞和微生物等活體生物材料的DNA或蛋白質(zhì)損傷。

>>化學刺激控制方法

優(yōu)勢：具有自動控制功能。

劣勢：時間和空間分辨率都很低；具有潛在毒性；當類生命機器人距化學源較遠時，隨著擴散距離的增加，化學濃度將快速降低，控制作用隨之減弱。

>>磁力控制方法

優(yōu)勢：無毒性，非接觸，高穿透力。

劣勢：需要采用復雜的控制設備和算法才能實現(xiàn)精準控制。

6. 類生命機器人研究面臨的挑戰(zhàn)

>>缺乏類生命感知與智能研究

在類生命驅(qū)動研究中，采用活體心肌細胞和骨骼肌細胞作為驅(qū)動單元；基于同樣的原理，我們亟需探索采用活體生物材料實現(xiàn)的類生命機器人感知與智能功能。

>>缺乏活體生物材料

對于具有驅(qū)動、感知等功能的活體生命材料的研究應引入新的科技手段，如生物融合及基因工程的技術(shù)。

>>缺乏活體生物材料的長期生命維持技術(shù)

亟需探索可以制作具備生命體所需的培養(yǎng)環(huán)境的類生命機器人本體結(jié)構(gòu)新型材料及相應的加工方法（如智能生物材料、4D打印技術(shù)以及恒溫系統(tǒng)等）。

>>控制方法存在缺陷

亟需探索可應用于多重復雜環(huán)境的類生命機器人通用控制方法。

>>缺乏信息獲取、處理及信息接口技術(shù)

智能機器人的信息接口技術(shù)是機器人關(guān)鍵技術(shù)。然而，目前有關(guān)類生命機器人信息技術(shù)方面的研究工作很少。信息技術(shù)的引入將有可能促進類生命機器人的高速發(fā)展。

此外，類生命機器人感知模塊、信息處理單元以及驅(qū)動執(zhí)行器的集成研究也將是未來類生命機器人所面臨的重大挑戰(zhàn)。