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  聽到機(jī)器人，大多數(shù)人腦中浮現(xiàn)的是一堆金屬塑料零件組成的硬邦邦玩意兒——它們通常是由各種螺母螺栓拼裝成的硬體機(jī)器人。

  當(dāng)下，機(jī)器人正走出實(shí)驗(yàn)室，走進(jìn)老百姓的日常生活承擔(dān)各項(xiàng)任務(wù)。對(duì)與機(jī)器人打交道的人來說，這樣的硬體設(shè)計(jì)會(huì)造成安全風(fēng)險(xiǎn)。比方說，當(dāng)一個(gè)工業(yè)機(jī)器人“不小心碰到”人類工人，其后果不是開玩笑的——輕則淤血烏青，重則傷筋動(dòng)骨。

如何應(yīng)對(duì)硬體機(jī)器人的安全風(fēng)險(xiǎn)？

  全世界的工程師們，越來越傾向于讓機(jī)器人更柔軟、順從的設(shè)計(jì)方案——外表不再是堅(jiān)硬的機(jī)械，而更接近于“身輕體柔易推倒”的小動(dòng)物。對(duì)于馬達(dá)這樣的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器，這意味著使用人造“空氣肌肉”或是在傳動(dòng)系統(tǒng)加入彈簧結(jié)構(gòu)。

德國Festo：空氣肌肉機(jī)器人概念圖

又比如凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的Whegs機(jī)器人，它馬達(dá)和足輪之間有一個(gè)彈簧裝置。撞到人時(shí)，彈簧能吸收一部分能量，降低人身傷害。見下圖：

Roomba掃地機(jī)器人是另一個(gè)例子，它的保險(xiǎn)杠由彈簧承載，不會(huì)破壞撞到的東西（類似汽車的翼子板）。

Roomba保險(xiǎn)杠的彈簧承載裝置

  但是一個(gè)發(fā)展中的研究領(lǐng)域決定另辟蹊徑，研究人員們通過把機(jī)器人技術(shù)和生物組織工程結(jié)合，開始用活的肌肉組織、細(xì)胞制造機(jī)器人。通過光、電刺激讓細(xì)胞收縮，研究人員能控制機(jī)器人肢體的彎曲，使它們作出劃水、爬行等動(dòng)作。 

  這樣制造出來的生物機(jī)器人體態(tài)柔軟，跟動(dòng)物很類似。對(duì)于在人的身邊工作，這類機(jī)器人顯然更安全。而且，相比傳統(tǒng)機(jī)器人，它們對(duì)環(huán)境的破壞更小。另外，生物機(jī)器人主要使用營養(yǎng)來補(bǔ)充能量，不需要大型電池組。這使它們比硬體機(jī)器人更輕。

鈦板上的生物機(jī)器人

  如何開發(fā)生物機(jī)器人？

  研究人員通過繁殖細(xì)胞來制造生物機(jī)器人。一般他們會(huì)選用雞、老鼠的心肌或者骨骼肌，在對(duì)活細(xì)胞無毒副作用的支架上進(jìn)行增殖。如果基板材質(zhì)是高分子聚合物（polymer），制造出來的就是生物合成機(jī)器人——天然材料和人造材料的混合體。

  但是，如果把細(xì)胞組織直接放置到模制骨架上，會(huì)造成前者在各個(gè)方向的“野蠻生長”。這意味著，用電刺激讓它們動(dòng)作時(shí)，細(xì)胞組織的收縮力量會(huì)均勻應(yīng)用于各個(gè)方向——根本無法精確控制，而且效率低下。

  為了更好控制細(xì)胞的力量，研究人員求助于細(xì)胞圖案化技術(shù)（micropatterning） 。他們用細(xì)胞喜歡攀附其上的材質(zhì)，把微尺度線條印在骨架上。這些線條起到向?qū)ё饔谩?xì)胞組織傾向于沿著它生長。于是，研究人員獲得了符合設(shè)計(jì)圖案的細(xì)胞排列，如何把肌肉收縮力量施加于基板變得可控。因此，所有細(xì)胞能夠協(xié)作起來，使生物機(jī)器人的腿或者鰭能夠像動(dòng)物那樣動(dòng)作，而不是一塊受到刺激就胡亂收縮的肉團(tuán)。

  仿生合成生物機(jī)器人

  除了各種生物合成機(jī)器人，研究人員們還通過只使用天然材料，創(chuàng)造出了一些“純”生物機(jī)器人——基板的高分子聚合物被皮膚膠原取代，成為機(jī)器人的軀體。 當(dāng)它們受到電刺激，可以爬行或游泳。有研究人員受到醫(yī)學(xué)組織工程技術(shù)的啟發(fā)，開發(fā)出能使用直角手臂（懸臂）向前移動(dòng)的機(jī)器人。

  還有學(xué)者從自然界獲得靈感，創(chuàng)造出仿生生物合成機(jī)器人。比如，一支加州理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出仿生水母機(jī)器人“medusoid”，它有環(huán)形排列的觸手。借助細(xì)胞圖案化技術(shù)，每一只觸手都有打印的蛋白質(zhì)線條，使細(xì)胞按照類似于真實(shí)水母肌肉組織的方式排列。細(xì)胞收縮時(shí)，觸手向內(nèi)彎曲，推動(dòng)水母機(jī)器人向前游動(dòng)。

仿生水母機(jī)器人“medusoid”

  最近，哈佛大學(xué)的研究人員們展示了如何“駕馭”生物合成機(jī)器人。他們使用轉(zhuǎn)基因心臟細(xì)胞，制作出一個(gè)仿生魔鬼魚（蝠鲼）機(jī)器人，并能讓它游動(dòng)。這些經(jīng)過基因編輯的心肌細(xì)胞，能對(duì)特定頻率的光線做出反應(yīng)——機(jī)器人一側(cè)的細(xì)胞按照一個(gè)頻率，另外一側(cè)是另一個(gè)頻率，這樣就能通過光線變化控制游動(dòng)的左右方向。

  至于向前游動(dòng)，當(dāng)研究人員把光線投射到機(jī)器人前部，那里的細(xì)胞會(huì)收縮，并把電信號(hào)沿魚體傳遞下去。魚體由首至尾的交替收縮運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。

仿生魔鬼魚機(jī)器人，金色部分是骨架

  更強(qiáng)壯的生物機(jī)器人

  雖然生物合成機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)有了許多突破性進(jìn)展，但把這些機(jī)器人商業(yè)化并投入使用的時(shí)機(jī)遠(yuǎn)未成熟。目前，這些機(jī)器人產(chǎn)品壽命短、力量輸出小，極大限制了處理各項(xiàng)任務(wù)的速度和能力。另外，使用鳥類和哺乳動(dòng)物細(xì)胞開發(fā)的機(jī)器人對(duì)環(huán)境十分敏感。舉例來說，環(huán)境溫度必須保持與生物體溫接近。還有，和動(dòng)物一樣，細(xì)胞需要定期補(bǔ)充營養(yǎng)——喂?fàn)I養(yǎng)液。一個(gè)潛在的解決方案是：把生物機(jī)器人包裝起來 （類似皮膚對(duì)人的保護(hù)），所以外部環(huán)境的影響不再那么致命，營養(yǎng)液的補(bǔ)充也可以建立起一個(gè)內(nèi)部系統(tǒng) （就像為人體細(xì)胞提供營養(yǎng)的血液循環(huán)系統(tǒng)）。

  另外一個(gè)方案是： 使用更皮實(shí)的細(xì)胞作為驅(qū)動(dòng)器。 最近在凱斯西儲(chǔ)大學(xué)，學(xué)者們通過研究生命力頑強(qiáng)的海蝸牛（Aplysiacalifornica），探索它的可行性。海蝸牛棲息于潮間帶，每天都會(huì)經(jīng)歷巨幅溫差和鹽度差。退潮時(shí)，有的海蝸牛會(huì)困在淺灘，水分會(huì)隨光照蒸發(fā)。下雨時(shí)，周圍環(huán)境的鹽濃度又會(huì)巨幅下降。為適應(yīng)復(fù)雜多變的棲息地狀況，海蝸牛進(jìn)化出堅(jiān)硬的殼來保護(hù)自己。

  研究人員實(shí)現(xiàn)了把海蝸牛肌肉組織作為驅(qū)動(dòng)器，來驅(qū)動(dòng)生物合成機(jī)器人。這意味著，我們能用這些更強(qiáng)壯的細(xì)胞組織來制造生物機(jī)器人。雷鋒網(wǎng)獲悉，目前該機(jī)器人已能搬運(yùn)不大的物體——1.6英寸長1英寸寬。

部分采用海蝸牛組織的生物機(jī)器人

  挑戰(zhàn)與展望

  生物機(jī)器人的另一大挑戰(zhàn)是，目前還沒有研發(fā)出任何一種機(jī)載控制系統(tǒng) （裝在機(jī)器人上）。工程師們只能通過外部電場或者光線控制它們。為了開發(fā)出完全自主的生物合成機(jī)器人，我們需要能直接與機(jī)器人肌肉組織交流、并提供傳感器輸入的的控制器。看似最直接的方案 （難度可能也最大）是：使用神經(jīng)元或神經(jīng)元集群組成的神經(jīng)中樞，來作為生物控制器。

  這是研究人員為什么對(duì)海蝸牛那么在意的另一個(gè)原因：它被被神經(jīng)生物學(xué)研究當(dāng)作模型系統(tǒng)，已有很多年。它的神經(jīng)系統(tǒng)與肌肉之間的關(guān)系已經(jīng)研究得比較透徹。這為把它的神經(jīng)元作為生物控制器，打開了大門。將來，研究人員希望能借助生物控制器，告訴機(jī)器人怎么移動(dòng)，并幫助它處理各種任務(wù)，比如說尋找有毒物質(zhì)和跟隨燈光。

  合成生物領(lǐng)域正處在嬰兒期，但研究人員們已為它設(shè)想了許多應(yīng)用場景。比如說，可以造出一批使用海蝸牛組織的迷你機(jī)器人，然后把一大群釋放到水庫或者海水里，搜尋水管泄露或者有毒物質(zhì)。由于這些機(jī)器人由生物組織制成，如果它們壞掉、或者被海魚吃掉，并不會(huì)對(duì)環(huán)境造成很大影響。

  將來，使用人類細(xì)胞制造的生物機(jī)器人可被應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。它們可以進(jìn)行靶向藥物輸送、處理血栓，或成為可控制、可調(diào)節(jié)的血管支架。這些迷你機(jī)器人裝置能強(qiáng)化衰弱的血管，來預(yù)防動(dòng)脈瘤。由于使用生物介質(zhì)，而不是高分子聚合物，它們能被重新調(diào)整，并隨時(shí)間成為患者身體的一部分。另外，生物組織工程學(xué)的進(jìn)展（比如開發(fā)人造血液循環(huán)系統(tǒng)）很可能打開一扇新的大門：靠肌肉行動(dòng)的大型生物機(jī)器人。

  到了那時(shí)，在外表上將很難分辨出動(dòng)物和生物機(jī)器人的區(qū)別。更耐人深思的是，到了那一步，造出具有人類生物學(xué)特征的“類人”機(jī)器人將在技術(shù)上成為可能——至于現(xiàn)實(shí)中會(huì)不會(huì)有人這么做，將取決于倫理的進(jìn)步和立法。但小編捫心自問：男同志里有幾個(gè)能抗拒“女仆”的誘惑呢？（喂，老王機(jī)器人公司嗎，我想訂一個(gè)春日野穹）技術(shù)的發(fā)展是不可逆的，潘多拉魔盒一旦打開，就沒有返回。這里用潘多拉作比方或許很不恰當(dāng)——因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果并不是好、壞所能形容，而是對(duì)倫理、道德、生命、人的重新定義，帶來社會(huì)方方面面的徹底變革。