生物机器人，离我们有多远

网易

听到机器人，大多数人脑海中浮现的是由一堆金属和塑料零件组成的硬邦邦的玩意儿——它们通常是由各种螺母、螺栓拼装成的硬体机器人。

当下，机器人正走出实验室，走进老百姓的日常生活中承担各项任务。对与机器人打交道的人来说，这样的硬体设计会造成安全风险。比方说，当一个工业机器人“不小心碰到”人类工人，其后果不是开玩笑的——轻则瘀血、乌青，重则伤筋动骨。

如何应对硬体机器人的安全风险

工程师们越来越倾向于设计更柔软、顺从的机器人——外表不再是坚硬的机械的机器人，而更接近于“身轻体柔”的小动物。

一些研究人员通过把机器人技术和生物组织工程结合，开始用活的肌肉组织、细胞制造机器人。通过光、电刺激让细胞收缩，研究人员能控制机器人肢体的弯曲，使它们做出划水、爬行等动作。这样制造出来的生物机器人体态柔软，跟动物很类似。在人的身边工作的话，这类机器人显然更安全，而且，相比传统机器人，它们对环境的破坏更小。另外，生物机器人主要使用营养液来补充能量，不需要大型电池组。这使它们比硬体机器人更轻。

如何开发生物机器人

研究人员通过繁殖细胞来制造生物机器人。他们一般会选用鸡、老鼠的心肌或者骨骼肌，在对活细胞无毒副作用的支架上进行增殖。如果基板材质是高分子聚合物，制造出来的就是生物合成机器人——天然材料和人造材料的混合体。

但是，如果把细胞组织直接放置到模制骨架上，会造成细胞组织在各个方向“野蛮生长”。这意味着，用电刺激让它们动作时，细胞组织的收缩力量会均匀应用于各个方向——根本无法精确控制，而且效率低下。

为了更好地控制细胞的力量，研究人员求助于细胞图案化技术。他们用细胞喜欢攀附其上的材质，把微尺度线条印在骨架上。这些线条起到向导作用——细胞组织倾向于沿着它生长。于是，研究人员获得了符合设计图案的细胞排列，如何把肌肉收缩力量施加于基板变得可控。因此，所有的细胞能够协作起来，使生物机器人的腿或者鳍能够像动物那样动作，而不是一块受到刺激就胡乱收缩的肉团。

仿生合成生物机器人

除了各种生物合成机器人，研究人员还通过只使用天然材料，创造出了一些“纯”生物机器人——基板的高分子聚合物被皮肤胶原取代，成为机器人的躯体。这些机器人在受到电刺激时，可以爬行或游泳。有研究人员受到医学组织工程技术的启发，开发出能使用直角手臂（悬臂）向前移动的机器人。

还有学者从自然界获得灵感，创造出仿生合成生物机器人。比如，加州理工学院的一支团队开发出仿生水母机器人“medusoid”，它有环形排列的触手。借助细胞图案化技术，每一只触手都有打印的蛋白质线条，使细胞按照类似于真实水母肌肉组织的方式排列。细胞收缩时，触手向内弯曲，推动水母机器人向前游动。

之前，哈佛大学的研究人员展示了如何“驾驭”生物合成机器人。他们使用转基因心脏细胞，制作出一个仿生魔鬼鱼（蝠鲼）机器人，并能讓它游动。这些经过基因编辑的心肌细胞，能对特定频率的光线作出反应——机器人一侧的细胞按照一个频率，另外一侧是另一个频率，这样就能通过光线变化控制游动的左右方向。

至于向前游动，当研究人员把光线投射到机器人前部，那里的细胞就会收缩，并把电信号沿鱼体传递下去。鱼体由首至尾的交替收缩运动，推动机器人前进。

更强壮的生物机器人

虽然生物合成机器人技术已经有了许多突破性进展，但把这些机器人商业化并投入使用的时机远未成熟。目前，这些机器人产品寿命短、力量输出小，极大限制了处理各项任务的速度和能力。另外，使用鸟类和哺乳动物细胞开发的机器人对环境十分敏感。比如，环境温度必须保持与生物体温接近。还有，和动物一样，细胞需要定期补充营养——喂营养液。一个潜在的解决方案是：把生物机器人包装起来（类似皮肤对人的保护），所以外部环境的影响不再那么致命，营养液的补充也可以建立起一个内部系统（就像为人体细胞提供营养的血液循环系统）。

另外一个方案是：使用更强壮的细胞作为驱动器。凯斯西储大学的学者们通过研究生命力顽强的海蜗牛，探索它的可行性。海蜗牛栖息于潮间带，每天都会经历巨幅温差和盐度差。退潮时，有的海蜗牛会困在浅滩，水分会随光照蒸发。下雨时，周围环境的盐浓度又会巨幅下降。为适应复杂多变的栖息地状况，海蜗牛进化出坚硬的壳来保护自己。

研究人员已经可以把海蜗牛肌肉组织作为驱动器，来驱动生物合成机器人。这意味着，我们能用这些更强壮的细胞组织来制造生物机器人。目前该机器人已能搬运不大的物体。

挑战与展望

生物机器人的另一大挑战是，目前还没有研发出任何一种可以装在机器人上的机载控制系统。工程师们只能通过外部电场或者光线控制它们。为了开发出完全自主的生物合成机器人，我们需要能直接与机器人肌肉组织交流，并提供传感器输入的控制器。看似最直接（难度可能也最大）的方案是：使用神经元或神经元集群组成的神经中枢，来作为生物控制器。

这是研究人员对海蜗牛那么在意的另一个原因：它被神经生物学研究当作模型系统，已有很多年。它的神经系统与肌肉之间的关系已经被研究得比较透彻。这为把它的神经元作为生物控制器，打开了大门。将来，研究人员希望能借助生物控制器，告诉机器人怎么移动，并帮助它处理各种任务，比如说寻找有毒物质和跟随灯光。

虽然合成生物技术正处在“婴儿期”，但研究人员们已为它设想了许多应用场景。比如说，可以造出一批使用海蜗牛组织的迷你机器人，然后把一大群迷你机器人释放到水库或者海水里，搜寻泄漏的水管或者有毒物质。由于这些机器人由生物组织制成，如果它们坏掉或者被鱼吃掉，并不会对环境造成很大影响。

将来，使用人类细胞制造的生物机器人可以应用于医疗领域。据了解，它们可以进行靶向药物输送、处理血栓，或成为可控制、调节的血管支架。这些迷你机器人装置能强化衰弱的血管，预防动脉瘤。由于使用生物介质，而不是高分子聚合物，它们能被重新调整，并随时间成为患者身体的一部分。另外，生物组织工程学的进展（比如开发人造血液循环系统）很可能打开一扇新的大门：靠肌肉行动的大型生物机器人。

到了那时，从外表上将很难分辨出动物和生物机器人的区别。更令人深思的是，到了那一步，造出具有人类生物学特征的“类人”机器人将在技术上成为可能——至于现实中会不会有人这么做，将取决于伦理的进步和立法。技术的发展是不可逆的，潘多拉魔盒一旦打开，就不可回头。这里用潘多拉作比方或许很不恰当——因为这项技术进步的结果并不是好、坏所能形容，而是对伦理、道德、生命、人的重新定义，将带来社会方方面面的变革。endprint