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  • 細菌做“眼睛”、蟑螂當“跑腿”……總有一些特立獨行的機器人

    行業資訊 | 時間: 2020-05-28 | 我是科學家 | 編譯:Eunice|瀏覽量:1225

       從《弗蘭根斯坦》中用鐵釘鉚起血肉的人造人,到《攻殼機動隊》中用義肢替換器官的生化警察。在很多科幻作品中,都有各種鋼鐵與血肉混合的“生命體”。
     
      現實中,機器人領域的研究者們也在嘗試將生物與機器進行融合。他們既可以利用生物材料的某些特性,或者依照仿生學的思路師法自然,也可以直接改造、控制生命,為人類服務。
     
      這類研究,統稱為“生物混合機器人”(Biohybrid Robot)。
     
      機器人領域的研究者們正嘗試將生物與機器進行融合
     
      從傳感器到茶包標簽
     
      ——細胞們的角色扮演
     
      “生物混合機器人”研究中最直接的形式,就是把來自生命的材料直接裝進機器。
     
      當然,這種研究絕不是恐怖電影中常見的,眼球放進鋼鐵頭骨,或者手臂大腿拼到機械軀干?,F階段,研究者們主要是利用某些生命的一些特殊能力,比如能夠發光的細菌。
     
      作為單細胞生物,發光細菌能將化學信號轉化為光信號,是生物實驗室中常見的研究素材之一。它們在很多方面都有著應用潛力,比如作為傳感器來使機器在小尺寸下,完成對特定化學物質的探測。
     
      卡內基梅隆大學的研究者通過人工合成的發光細菌捕捉化學信號,再通過發光二極管激發這些細菌的熒光反應,使細菌發光?;瘜W物質的濃度會影響光信號的強弱。隨后,這些光信號被光電探測器轉化為電信號,傳輸至處理芯片。
     
      將這些發光細菌和配套裝置整合到柔性機器手中,就能極大擴展這些機器手的功能——如同為機器手安裝上了感受化學信號的“眼睛”。
     
      發光細菌在機器手中起到了傳感器的功能
     
      細胞不僅可以作為傳感部件使用,也可以作為驅動部件。日式料理中經常出現一種叫做納豆的食物,這是由黃豆通過納豆菌發酵制成的豆制品。納豆菌細胞對于濕度十分敏感,遇濕膨脹,干燥則收縮。正是這一種看似普通的特性,如若經過巧妙設計,就可以實現出神奇的功能。
     
      麻省理工學院的研究人員設計了一套微米級分辨率的生物打印系統,可以將納豆菌細胞打印成各種各樣的形狀。通過預先設計的巧妙結構,能讓這些納豆菌細胞構成的物件,成為對濕度變化進行反應的小小機器。比如,打印出的茶包標簽會在茶泡好時展開,打印出的干花則可以將濕度變化以綻放的形態顯示出來。
     
      納豆菌細胞打印出的茶包標簽與干花
     
      如何飛得更好,這還得聽鳥的
     
      除了對生物直接進行利用,“師法自然”也是機器人研究者們的必修課。
     
      1903年,萊特兄弟向鳥學習了飛翔。自飛機問世以來,人類已經設計出了各種各樣的飛行器。但是,無論是空中客車還是無人機,它們在飛行過程中的能量利用率始終比鳥類遜色不少。
     
      鳥類能夠保持高效率飛行的重要原因之一,是它們的羽翼可以對自身形體進行靈活、動態的調節,以適應瞬息萬變的氣流環境。
     
      通過對鴿子骨骼和羽翼的動力學研究,斯坦福大學的學者發現了羽翼上不同羽毛之間的運動與協調規律。他們收集起40根真羽毛,模仿骨骼設計了連桿結構,通過4個微型電機對這些羽毛進行協調控制。這種“真羽毛+電機”的生物混合機翼,可以在氣流中迅速而穩定地變形,從而實現高效飛行。
     
      也許未來的某一天,我們就會搭乘上煽動翅膀的機器大鳥,在空中翱翔。
     
      “真羽毛+電機”的生物混合機翼 
     
      不僅僅是飛行,機器人的協調運動一直都是研究難點。比如,怎樣讓機器如同人類手指一樣靈活,就是個巨大的挑戰。
     
      東京大學的研究人員參考了骨骼肌,通過在機器人中加入肌肉組織,讓機器在微小尺寸下更加精確、穩定地運動。他們設計了一個帶有關節的機械手,利用對稱的骨骼肌進行驅動,使關節能夠進行大角度的旋轉。很多動物都能做出這種對抗性放松-收縮的肌肉動作——你在拾取或放下東西時,手指上發生的就是這類動作。通過這種設計,就能做出一個靈活的機器手指了。

     
     
      利用骨骼肌完成機器的大角度動作 
     
      朋友,你想駕馭蟑螂嗎?
     
      使用細胞或者肌肉作為一部分零件,亦或是從生物的進化中汲取靈感,這些技術思路固然巧妙,但能否更直接些,讓我們來操控一個生物!
     
      北卡羅萊納州立大學的研究者將目光投向了一種和藹可親的小動物——蟑螂。
     
      蟑螂能夠利用觸角感受前方的障礙物,利用腹部上的尾須感受后方天敵的運動,借此改變自己的行動路線——可以說,觸角和尾須,就是它們的天線和后視鏡。
     
      背著控制裝置的蟑螂 
     
      研究人員將控制芯片、WiFi芯片等集成到了一個輕巧的電路板上,并把這塊集成小裝置固定在蟑螂背部。通過電極刺激蟑螂的觸角和尾須,就能欺騙它們的方向調控。
     
      于是,這樣一只背著“小背包”的蟑螂,就能按照指令前進了。
     
      如果實驗中使用了廣東的蟑螂,說不定能造出一個飛行機器人。
     
      不過,簡單的控制已經無法滿足科研人員的野心,他們有些大膽的想法——從零開始創造“活”的機器人。
     
      就在今年,美國國家科學院院刊報道了來自美國塔夫茨大學的研究成果:科學家們創造了一款活體機器人,名為“Xenobots”。
     
      這款活體機器人完全由蟾蜍的細胞組成。準確來說,是兩種蟾蜍細胞:一種是表皮細胞,彈性較弱,作用類似于機器人中的骨架;另一種是心肌細胞,能夠進行伸縮,可以充當驅動部件。
     
     ?。ㄗ螅┚G色方塊代表蟾蜍的表皮細胞,紅色方塊代表蟾蜍的心肌細胞。(右)兩種細胞組成計算機設計的構型以實現指定的功能 | Sam Kriegman
     
      為了讓活體機器人可以按照人們指定的方式移動,研究團隊應用了遺傳算法。當想讓機器人完成某種動作(比如:沿直線移動)時,遺傳算法可以給出一套最優化的模型。按照這一優化模型,研究者使用顯微工具對蟾蜍細胞團進行加工,就得到可以做出“指定動作”的活體機器人。這些基于不同模型的細胞團尺寸在1毫米左右,可以完成移動、推動物體、自動愈合等功能。

     
     
      這些看似平平無奇的細胞團,就是人類有史以來第一次“完全從頭開始設計的生物機器”。
     
      生命與機器的界線
     
      技術飛速進步,生物與機器相互交融,科幻電影中的場景似乎離我們也沒那么遙遠。
     
      無論是借由生物改進機器性能,還是讓機器向生物學習運動方式,生物混合機器人的研究一直在暗示著這樣的道理:只有愈發理解生命,才能更好地創造機器。
     
      然而,技術之外,更多問題浮出水面。
     
      生物與機器間的界線逐漸模糊:Xenobots由100%的細胞構成,那么,該稱其為“生物”還是“機器”?
     
      或者,我們又該如何定義“生命”?
     
      當人類試圖扮演造物主,接下來的故事如何發展,充滿未知與挑戰。

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