细菌做“眼睛”、蟑螂当“跑腿”……总有一些特立独行的机器人

　　从《弗兰根斯坦》中用铁钉铆起血肉的人造人，到《攻壳机动队》中用义肢替换器官的生化警察。在很多科幻作品中，都有各种钢铁与血肉混合的“生命体”。

　　现实中，机器人领域的研究者们也在尝试将生物与机器进行融合。他们既可以利用生物材料的某些特性，或者依照仿生学的思路师法自然，也可以直接改造、控制生命，为人类服务。

　　这类研究，统称为“生物混合机器人”（Biohybrid Robot）。

　　机器人领域的研究者们正尝试将生物与机器进行融合 | 《攻壳机动队》剧照

　　从传感器到茶包标签

　　——细胞们的角色扮演

　　“生物混合机器人”研究中最直接的形式，就是把来自生命的材料直接装进机器。

　　当然，这种研究绝不是恐怖电影中常见的，眼球放进钢铁头骨，或者手臂大腿拼到机械躯干。现阶段，研究者们主要是利用某些生命的一些特殊能力，比如能够发光的细菌。

　　作为单细胞生物，发光细菌能将化学信号转化为光信号，是生物实验室中常见的研究素材之一。它们在很多方面都有着应用潜力，比如作为传感器来使机器在小尺寸下，完成对特定化学物质的探测。

　　卡内基梅隆大学的研究者通过人工合成的发光细菌捕捉化学信号，再通过发光二极管激发这些细菌的荧光反应，使细菌发光。化学物质的浓度会影响光信号的强弱。随后，这些光信号被光电探测器转化为电信号，传输至处理芯片。

　　将这些发光细菌和配套装置整合到柔性机器手中，就能极大扩展这些机器手的功能——如同为机器手安装上了感受化学信号的“眼睛”。

　　发光细菌在机器手中起到了传感器的功能 | 参考文献[1]/汉化：莔莔

　　细胞不仅可以作为传感部件使用，也可以作为驱动部件。日式料理中经常出现一种叫做纳豆的食物，这是由黄豆通过纳豆菌发酵制成的豆制品。纳豆菌细胞对于湿度十分敏感，遇湿膨胀，干燥则收缩。正是这一种看似普通的特性，如若经过巧妙设计，就可以实现出神奇的功能。

　　麻省理工学院的研究人员设计了一套微米级分辨率的生物打印系统，可以将纳豆菌细胞打印成各种各样的形状。通过预先设计的巧妙结构，能让这些纳豆菌细胞构成的物件，成为对湿度变化进行反应的小小机器。比如，打印出的茶包标签会在茶泡好时展开，打印出的干花则可以将湿度变化以绽放的形态显示出来。

　　纳豆菌细胞打印出的茶包标签与干花 | 参考文献[2]

　　如何飞得更好，这还得听鸟的

　　除了对生物直接进行利用，“师法自然”也是机器人研究者们的必修课。

　　1903年，莱特兄弟向鸟学习了飞翔。自飞机问世以来，人类已经设计出了各种各样的飞行器。但是，无论是空中客车还是无人机，它们在飞行过程中的能量利用率始终比鸟类逊色不少。

　　鸟类能够保持高效率飞行的重要原因之一，是它们的羽翼可以对自身形体进行灵活、动态的调节，以适应瞬息万变的气流环境。

　　通过对鸽子骨骼和羽翼的动力学研究，斯坦福大学的学者发现了羽翼上不同羽毛之间的运动与协调规律。他们收集起40根真羽毛，模仿骨骼设计了连杆结构，通过4个微型电机对这些羽毛进行协调控制。这种“真羽毛+电机”的生物混合机翼，可以在气流中迅速而稳定地变形，从而实现高效飞行。

　　也许未来的某一天，我们就会搭乘上煽动翅膀的机器大鸟，在空中翱翔。

　　“真羽毛+电机”的生物混合机翼 | 参考文献[3]

　　不仅仅是飞行，机器人的协调运动一直都是研究难点。比如，怎样让机器如同人类手指一样灵活，就是个巨大的挑战。

　　东京大学的研究人员参考了骨骼肌，通过在机器人中加入肌肉组织，让机器在微小尺寸下更加精确、稳定地运动。他们设计了一个带有关节的机械手，利用对称的骨骼肌进行驱动，使关节能够进行大角度的旋转。很多动物都能做出这种对抗性放松-收缩的肌肉动作——你在拾取或放下东西时，手指上发生的就是这类动作。通过这种设计，就能做出一个灵活的机器手指了。

　　利用骨骼肌完成机器的大角度动作 | 参考文献[4]

　　朋友，你想驾驭蟑螂吗？

　　使用细胞或者肌肉作为一部分零件，亦或是从生物的进化中汲取灵感，这些技术思路固然巧妙，但能否更直接些，让我们来操控一个生物！

　　北卡罗莱纳州立大学的研究者将目光投向了一种和蔼可亲的小动物——蟑螂。

　　蟑螂能够利用触角感受前方的障碍物，利用腹部上的尾须感受后方天敌的运动，借此改变自己的行动路线——可以说，触角和尾须，就是它们的天线和后视镜。

　　背着控制装置的蟑螂 | 参考文献[5]

　　研究人员将控制芯片、WiFi芯片等集成到了一个轻巧的电路板上，并把这块集成小装置固定在蟑螂背部。通过电极刺激蟑螂的触角和尾须，就能欺骗它们的方向调控。

　　于是，这样一只背着“小背包”的蟑螂，就能按照指令前进了。

　　如果实验中使用了广东的蟑螂，说不定能造出一个飞行机器人。

　　不过，简单的控制已经无法满足科研人员的野心，他们有些大胆的想法——从零开始创造“活”的机器人。

　　就在今年，美国国家科学院院刊报道了来自美国塔夫茨大学的研究成果：科学家们创造了一款活体机器人，名为“Xenobots”。

　　这款活体机器人完全由蟾蜍的细胞组成。准确来说，是两种蟾蜍细胞：一种是表皮细胞，弹性较弱，作用类似于机器人中的骨架；另一种是心肌细胞，能够进行伸缩，可以充当驱动部件。

　　（左）绿色方块代表蟾蜍的表皮细胞，红色方块代表蟾蜍的心肌细胞。（右）两种细胞组成计算机设计的构型以实现指定的功能 | Sam Kriegman

　　为了让活体机器人可以按照人们指定的方式移动，研究团队应用了遗传算法。当想让机器人完成某种动作（比如：沿直线移动）时，遗传算法可以给出一套最优化的模型。按照这一优化模型，研究者使用显微工具对蟾蜍细胞团进行加工，就得到可以做出“指定动作”的活体机器人。这些基于不同模型的细胞团尺寸在1毫米左右，可以完成移动、推动物体、自动愈合等功能。

　　Xenobots的一个模型（左）及其实物（右） | www.uvm.edu

　　这些看似平平无奇的细胞团，就是人类有史以来第一次“完全从头开始设计的生物机器”。

　　生命与机器的界线

　　技术飞速进步，生物与机器相互交融，科幻电影中的场景似乎离我们也没那么遥远。

　　无论是借由生物改进机器性能，还是让机器向生物学习运动方式，生物混合机器人的研究一直在暗示着这样的道理：只有愈发理解生命，才能更好地创造机器。

　　然而，技术之外，更多问题浮出水面。

　　生物与机器间的界线逐渐模糊：Xenobots由100%的细胞构成，那么，该称其为“生物”还是“机器”？

　　或者，我们又该如何定义“生命”？

　　当人类试图扮演造物主，接下来的故事如何发展，充满未知与挑战。

　　（不过，控制蟑螂那个，请你们抓紧研究！能不能把它们设置成绕开我家！）

　　作者名片

　　作者：莔莔

　　编辑：圆的方块

　　排版：雷颖

　　题图来源：《机械姬》剧照

　　参考文献：

　　[1] Justus, Kyle B., et al. "A biosensing soft robot: Autonomous parsing of chemical signals through integrated organic and inorganic interfaces." Science Robotics 4.31 (2019): eaax0765.

　　[2] Yao, Lining, et al. "BioLogic: natto cells as nanoactuators for shape changing interfaces." Proceedings of the 33rd Annual ACM Conference on Human Factors in Computing Systems. 2015.

　　[3] Chang, Eric, et al. "Soft biohybrid morphing wings with feathers underactuated by wrist and finger motion." Science Robotics 5.38 (2020).

　　[4] Morimoto, Yuya, Hiroaki Onoe, and Shoji Takeuchi. "Biohybrid robot powered by an antagonistic pair of skeletal muscle tissues." Science Robotics 3.18 (2018): eaat4440.

　　[5] Latif, Tahmid, and Alper Bozkurt. "Line following terrestrial insect biobots." 2012 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE, 2012.

　　[6] Kriegman, Sam, et al. "A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms." Proceedings of the National Academy of Sciences (2020).