科学家研制混合型生物机器人 按预定模式生长

谈及传统的机器人，你或许会首先联想到由金属和塑料构成的机械装置。这些由精密螺丝和螺栓组合而成的机器人，其结构坚固，以硬金属为主材质。随着机器人在实验室之外承担的任务日益增多，这种刚性的系统可能会带来潜在的安全隐患。想象一下，如果一台工业机器人因为操作失误突然撞击到人群，很可能引发淤青甚至更为严重的骨折伤害。

鉴于此，人类已经开始积极研究如何让机器人变得更加安全、更为柔和，使其从冷硬的机器转变为像宠物般温顺。当与电动机等传统驱动器配合时，这些改良机器人的动作就如同使用空气肌肉或给电动机加入弹簧一样，更加灵活自然。例如，Whegs机器人通过在电动机和轮腿之间安装弹簧，实现了在撞击其他物体或人时的减震缓冲效果，从而有效避免了对人体的伤害。另一例子是Roomba吸尘机器人，其同样配备了缓冲装置，所以在碰到家具时也不会造成损害。

科技的进步推动着我们探索新的领域。如今，研究者们正致力于将机器人与活体组织相结合，开发出能够利用活体肌肉组织或细胞驱动的机器人。这些机器人能够通过电子信号或光线激活，使细胞组织与它们的骨骼相连接，从而实现各种动作。

这些生物机器人的设计灵感来源于自然界。它们可以像动物一样自由移动，并且拥有柔软的躯体。与人类共处时，它们表现出更高的安全性，对周围环境造成的潜在危害也较小。这些生物机器人也需要摄取营养来维持肌肉的活性。从重量上看，它们比传统机器人更轻盈。

研究者们正在通过培养活体细胞来制造生物机器人。他们通常使用老鼠或小鸡的心脏或骨骼肌肉作为培育材料，并利用无害的支架作为培育载体。当使用高分子材料作为培育基板时，所制造出的设备就成为一种介于天然和人造材料之间的独特混合体。

为了确保细胞组织产生的力量得到有效控制，研究者们采用了微成型技术。他们在细胞组织附着的骨骼上刻下或印上微小的线条，以引导细胞组织按照预设的模式生长。这样，研究者们就能够控制细胞组织对基板施加的力的大小和方向，从而精确控制生物机器人的动作。

除了混合型生物机器人外，研究者们还利用纯天然材料开发出完全由活体组织构成的机器人。这些机器人在电场的刺激下可以做出爬行或游泳的动作，其开发灵感来源于医学组织工程技术。还有一些研究者从自然界获取灵感，开发出各种仿生混合机器人。例如，加州技术学院的研究团队创造出了一种类似于水母的生物混合机器人，其周围装有一圈蛋白质材料刻印的微型模型手臂，当细胞组织收缩时，这些手臂会向内弯曲，推动机器人在液体中移动。

尽管生物混合机器人领域已经取得了令人振奋的进展，但要让这些设备走出实验室并广泛应用于实际，仍有许多重要的挑战需要克服。目前的生物混合机器人的使用寿命有限、输出力量较小，这限制了它们的速度和完成任务的能力。使用哺乳类或鸟类细胞制造的机器人对环境条件要求极为严格，如温度、湿度和营养供给等。为了解决这个问题，研究者们正在探索将机器人包装起来，以保护其不受环境影响并持续获得营养供给。他们还在研究使用更为强健的细胞组织作为致动器，如海蜗牛的细胞等。这些深海生物能够在极端环境下生存，因此为生物混合机器人的研发提供了新的可能性。退潮之际，海蜗牛被留在了水洼之中。随着太阳的升起，环境盐度与温度不断攀升，蒸发掉水洼中的水分后，海蜗牛面临严峻的生存挑战。而在雨水滋润时，环境盐度又得以降低，为海蜗牛带来一线生机。只有在潮水再次涌动时，它们才得以从困境中解脱。这种多变的环境让海蜗牛逐渐进化出坚韧无比的细胞组织。

这些看似脆弱的生物却为我们带来了巨大启示。我们已能将海蜗牛的活性组织应用于生物混合机器人的研发中，让它们为机器人赋予行动能力。这种适应性极强的组织让我们得以制造出更为坚固的生物机器人，它们甚至能够搬运起大约1.5英寸长、1英寸宽的微小重物。

在生物机器人的研发过程中，另一个重要的问题在于缺乏一种内置的控制系统。当前，工程师们主要依靠外界电场或光线来控制它们。为了构建出完全自主化的生物混合机器人，我们需要一种能与肌肉组织直接交互、为机器人提供感应信号的控制器。一个颇具潜力的设想便是利用神经元或神经簇作为组织控制器。

海蜗牛作为神经生物研究的经典模型系统，已经让我们对其神经系统与肌肉之间的关系有了深入的了解。这使得利用它们的神经元作为组织控制器成为可能。尽管这一领域的研究仍处于早期阶段，但我们已经能够预见到生物混合机器人的广阔应用前景。

想象一下，利用蛞蝓组织研制的微型生物混合机器人，它们可以被用于寻找有害物质或检测管道泄漏。这些设备的生物兼容性意味着，即使被野生动物撕碎或吃掉，也不会对环境造成伤害。

未来，这些机器人甚至可能以人体细胞为基础，在医疗领域发挥巨大作用。生物机器人可以定向给药、清除栓塞，甚至作为可控的支架来增强血管壁的强度，避免动脉瘤的形成。这些设备还有望不断进化，最终与人体完美融合。

除了正在研发的小型生物混合机器人，组织工程技术的研究也将为大型生物机器人的诞生铺平道路。在这个充满生命力的未来，海蜗牛不仅是一个生存挑战的对象，更是我们科技发展的灵感之源。