半機(jī)械蟑螂，地震搜救的未來？

????????警用裝備網(wǎng)訊：?從可駕駛的仿生動(dòng)物到由肌肉制成的機(jī)器，生物混合機(jī)器人正在走向各種應(yīng)用。

　　2011 年 3 月，Hirotaka Sato在東京遭遇了地震。地震摧毀了數(shù)萬棟建筑，并引發(fā)了海嘯，襲擊了日本東海岸，包括福島核電站。超過 18,000 人死亡或失蹤。Sato看著絕望的搜救任務(wù)展開，心想：“我需要開發(fā)技術(shù)來拯救人們?！?/p>

　　他很快想到并一直努力的解決方案是半機(jī)械昆蟲。他想象著一群活生生的生物在瓦礫中穿梭，必要時(shí)由植入昆蟲神經(jīng)系統(tǒng)的外科植入電極遠(yuǎn)程控制。這些生物將攜帶能夠識別幸存者的傳感器，以及將他們的位置傳給救援人員的信號發(fā)射器。

　　Sato現(xiàn)在是新加坡南洋理工大學(xué)的一名工程師，他選擇了馬達(dá)加斯加嘶嘶聲蟑螂 (Gromphadorhina portentosa) 作為他的救援隊(duì)基礎(chǔ)。這些長 5 厘米的生物可以攜帶多達(dá) 15 克的安裝技術(shù)，目前包括一臺(tái)紅外攝像頭和一個(gè)能夠檢測活人的處理器。Sato的團(tuán)隊(duì)可以通過遙控器操縱昆蟲向左、向右和向前移動(dòng)，或者讓它們自主導(dǎo)航到預(yù)編程的目的地。研究人員目前正在改進(jìn)跟蹤和通信系統(tǒng)，使半機(jī)械生物能夠告訴救援人員在哪里找到需要幫助的人。

　　Sato的實(shí)驗(yàn)室是世界上數(shù)十個(gè)致力于生物混合機(jī)器人學(xué)新興領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)室之一，該學(xué)科旨在將工程師結(jié)合常規(guī)金屬和塑料部件以及活的生物組織來制造機(jī)器人。賓夕法尼亞州匹茲堡卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的工程師 Victoria Webster-Wood 說：“生物混合體是指任何結(jié)合了生物材料和合成材料的機(jī)器人?！?/p>

　　研究人員使用的生物材料的類型和數(shù)量差異很大，他們試圖解決的挑戰(zhàn)也各不相同。對于像 Sato 的搜救蟑螂這樣的半機(jī)械人，機(jī)器人學(xué)家利用了基本完整的生物系統(tǒng)的自然能力。在其他情況下，研究人員正在探索少量的活體組織——例如，一個(gè)會(huì)發(fā)臭的飛蛾觸角2，或一層人類皮膚3——如何為其他傳統(tǒng)機(jī)器人提供特定功能。一些最雄心勃勃的項(xiàng)目將活細(xì)胞置于機(jī)器人設(shè)計(jì)的核心，例如那些試圖構(gòu)建強(qiáng)大、自我修復(fù)的肌肉，機(jī)器人可以使用它們來移動(dòng)。

　　盡管他們的方法不同，但大多數(shù)參與的研究人員都對利用自然來推進(jìn)機(jī)器人技術(shù)有著共同的興趣。但正如該領(lǐng)域的工作人員非常清楚的那樣，將生物混合機(jī)器人完全帶入生活仍然存在嚴(yán)重障礙。

　　駕馭自然

　　2011 年初，Sato剛剛完成加州大學(xué)伯克利分校 Michel Maharbiz 實(shí)驗(yàn)室的四年工作。Sato的工作由美國國防高級研究計(jì)劃局 (DARPA) 資助，旨在通過使用小型機(jī)載計(jì)算機(jī)控制活體飛行甲蟲 (Mecynorrhina torquata) 來繞過從頭開始構(gòu)建厘米級飛行機(jī)器人面臨的困難。劫持甲蟲的自然能力不僅繞過了飛行工程挑戰(zhàn)，而且還產(chǎn)生了具有自供電能力和復(fù)雜的傳感器系統(tǒng)來幫助導(dǎo)航世界的半機(jī)械人。

　　當(dāng)東北部地震發(fā)生時(shí)，Sato只需一個(gè)小的概念飛躍——用奔跑的蟑螂代替飛行的甲蟲——就可以設(shè)想出一種可以在地震夷為平地的建筑廢墟中穿行的半機(jī)械人。救援人員長期以來一直使用狗(及其非凡的嗅覺)來搜索危險(xiǎn)的地震現(xiàn)場。幾十年來，工程師們一直在開發(fā)機(jī)器人做同樣的事情。然而，與狗一樣，當(dāng)面對成堆的瓦礫時(shí)，大多數(shù)機(jī)器人只能在表面移動(dòng)。要探索內(nèi)部，需要更小更堅(jiān)固的東西——更像是蟑螂。

　　Sato宏隆希望利用數(shù)百只半機(jī)械蟑螂自主探索搜索區(qū)域。但要確保它們留在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，Sato需要一種控制它們運(yùn)動(dòng)的方法。

　　他是這樣做的：將電極附著在昆蟲身體的某些部位，可以由遠(yuǎn)程人類操作員或機(jī)載計(jì)算機(jī)控制。電刺激蟑螂左側(cè)的觸覺受體或肌肉會(huì)使昆蟲向右移動(dòng)，反之亦然。Sato說：“我們利用昆蟲的自然行為來誘導(dǎo)轉(zhuǎn)彎。”同時(shí)刺激左側(cè)和右側(cè)的運(yùn)動(dòng)會(huì)推動(dòng)蟑螂向前。該小組的最新原型使用機(jī)載計(jì)算機(jī)運(yùn)行的導(dǎo)航算法，根據(jù)紅外攝像頭檢測到的內(nèi)容控制昆蟲的方向。障礙物回避是通過監(jiān)控蟑螂的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的——如果它被障礙物阻止，導(dǎo)航算法將指示昆蟲遠(yuǎn)離障礙物并找到繞過它的方法。

　　Sato指出，小型全合成機(jī)器人——其開發(fā)正在快速推進(jìn)——也可以通過類似的環(huán)境移動(dòng)。但半機(jī)械昆蟲可能具有一個(gè)重大優(yōu)勢：工作時(shí)間。

　　Sato說：“我們只能在小型機(jī)器人上放置一個(gè)小型電池。”由于該電池必須為機(jī)器人的耗能動(dòng)力系統(tǒng)以及其有效負(fù)荷設(shè)備供電，他說，“人工機(jī)器人只能移動(dòng)幾分鐘”。相反，半機(jī)械昆蟲的運(yùn)動(dòng)由進(jìn)食和飲水提供動(dòng)力，這意味著小型機(jī)載電池只需要為視覺和通信系統(tǒng)以及用于操縱昆蟲的低功率設(shè)備供電。

　　他的團(tuán)隊(duì)的最新原型的工作時(shí)間約為八小時(shí)，但Sato希望將來可以通過從太陽5或昆蟲的血淋巴6中收集能量來顯著延長這一時(shí)間——后者是無脊椎動(dòng)物的血液。他希望在未來 3-5 年內(nèi)部署這些生物混合機(jī)器人在災(zāi)區(qū)。

　　Sato并不是唯一在開發(fā)動(dòng)物半機(jī)械人的工程師。科羅拉多大學(xué)博爾德分校的工程師 Nicole Xu 在加利福尼亞州斯坦福大學(xué)的工程師 John Dabiri 實(shí)驗(yàn)室完成了她的博士學(xué)位，現(xiàn)在在帕薩迪納的加利福尼亞理工學(xué)院 (Caltech) 工作。他們一起探索了如何控制水母游泳的方法。徐解釋說，目標(biāo)是使用攜帶傳感器的水母群來監(jiān)測氣候變化和其他生態(tài)變化對海洋大面積的影響。

　　水母使用泵送動(dòng)作游泳——一圈神經(jīng)使它們的身體收縮，從而向前推進(jìn)。徐證明，通過使用木制牙簽將電極附著到水母上并以特定模式刺激神經(jīng)環(huán)，她可以使動(dòng)物游動(dòng)速度幾乎是正常速度的三倍。

　　為了測試半機(jī)械創(chuàng)造物是否經(jīng)受住了海洋條件，它們被從馬薩諸塞州海岸的一艘船上扔下。水母仍然以升高的速度游動(dòng)。徐說：“這真的很棒，因?yàn)槲覀儗Σɡ撕瓦@些機(jī)器人的堅(jiān)韌程度有了了解。”

　　水母具有許多對機(jī)器人學(xué)家具有吸引力的特性。它們是節(jié)能游泳者，能夠下潛到很深的地方。徐說，與目前的機(jī)械潛水器相比，水母不太可能對海洋環(huán)境造成損壞。它們的自然外觀和安靜性也使它們不起眼——在海洋測試中，魚游到它們身邊。

　　半機(jī)械水母的發(fā)展階段比Sato的蟑螂要早得多，正在 Caltech 的 Dabiri 實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行改進(jìn)。未來的任務(wù)包括找到一種方法來控制動(dòng)物而不是僅僅加速它們，并確定它們可以攜帶什么傳感器——例如攝像頭或化學(xué)探針——而不影響其浮力。與這樣的深水半機(jī)械保持通信也提出了挑戰(zhàn)。

　　智能設(shè)計(jì)

　　雖然利用動(dòng)物完整的身體和神經(jīng)系統(tǒng)比從頭開始建造機(jī)器人具有優(yōu)勢，但如此完全地利用自然的創(chuàng)造物也帶來了限制。Webster-Wood 說：“每當(dāng)我們劫持一個(gè)現(xiàn)有的生物體，我們就局限于進(jìn)化所產(chǎn)生的功能和體型因素?！?她和其他研究人員的目標(biāo)是將生物材料作為他們自己設(shè)計(jì)的機(jī)器人中的構(gòu)建塊——這些機(jī)器人將被設(shè)計(jì)用于特定的應(yīng)用。

　　到目前為止，這項(xiàng)工作的重點(diǎn)大多是肌肉。Webster-Wood 解釋說，在選擇機(jī)器人設(shè)計(jì)中使用的執(zhí)行器類型時(shí)，機(jī)器人專家會(huì)考慮各種指標(biāo)，包括其相對于重量產(chǎn)生的力和能量效率和耐久性。雖然肌肉在任何一個(gè)指標(biāo)上都沒有獲得最高分，但它在多個(gè)指標(biāo)上都表現(xiàn)良好。Webster-Wood 說：“現(xiàn)有的執(zhí)行器存在一些嚴(yán)重的限制。特別是對于小型機(jī)器人?！?/p>

　　例如，幾種類型的電動(dòng)機(jī)——例如壓電電機(jī)——可以改變剛度和形狀，但很難將它們縮小到與小肌肉相同的尺寸。而且這種電機(jī)需要巨大的電池。

　　生物肌肉還具有合成執(zhí)行器目前無法提供的特性。麻省理工學(xué)院的機(jī)械工程師 Ritu Raman 通過將來自小鼠的骨骼肌細(xì)胞與合成水凝膠支架相結(jié)合，構(gòu)建了厘米級的機(jī)器人。當(dāng)通過電刺激或(經(jīng)過基因改造后)通過光脈沖使這些肌肉細(xì)胞收縮時(shí)，這些機(jī)器就會(huì)在培養(yǎng)皿中推進(jìn)自己。

　　Raman 越頻繁地刺激機(jī)器人，肌肉每次產(chǎn)生的力量就越大——這類似于一個(gè)人訓(xùn)練舉起更重的重量。這種強(qiáng)化可能很有用，因?yàn)樗梢宰寵C(jī)器人更好地完成現(xiàn)實(shí)世界中重復(fù)的任務(wù)。

　　令人驚訝的是，Raman 還展示了如果肌肉被切斷，然后再添加干細(xì)胞和生長因子，生物混合機(jī)器人會(huì)自行修復(fù)。她說：“它可以在幾天內(nèi)完全恢復(fù)其產(chǎn)生的力量和行走速度?！?她的計(jì)劃是未來的設(shè)計(jì)將從一開始就包含干細(xì)胞，以實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)。

　　為了更好地控制運(yùn)動(dòng)，Raman 現(xiàn)在正在開發(fā)連接到神經(jīng)元的肌肉系統(tǒng)，這些神經(jīng)元可以像動(dòng)物一樣觸發(fā)收縮。從長遠(yuǎn)來看，她旨在使用可以感知外部刺激的生物神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，使它們能夠響應(yīng)環(huán)境線索移動(dòng)。

　　使用生物材料的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它們會(huì)自然降解——如果被捕食者吃掉，它們也安全食用。Webster-Wood 說：“我們完全支持生物降解?！?她說，機(jī)器人研究人員有基本的責(zé)任考慮他們使用的組件及其在機(jī)器人沒有被回收時(shí)的命運(yùn)。事實(shí)上，除了她使用的活肌肉細(xì)胞外，Webster-Wood 也正在探索使用天然蛋白質(zhì)作為機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和電氣部件。

　　像 Xu 一樣，Webster-Wood 也熱衷于開發(fā)監(jiān)測水生生態(tài)系統(tǒng)的方法，例如美國和加拿大之間五大湖中是否存在有毒藻華。對于這項(xiàng)任務(wù)，她正在測試的肌肉組織比 Raman 和其他人使用的來自小鼠的肌肉有一個(gè)重要的優(yōu)勢：它不是來自哺乳動(dòng)物，哺乳動(dòng)物的肌肉必須在定制的營養(yǎng)液中保持大致等于體溫的溫度，而是來自加利福尼亞海蛞蝓——她形容這些動(dòng)物“超級強(qiáng)壯”。

　　Webster-Wood 說，Aplysia 肌肉可以在比脆弱的哺乳動(dòng)物肌肉更寬的環(huán)境條件下工作。畢竟，這些海蛞蝓生活在潮汐巖池中，經(jīng)歷巨大的溫度和鹽度變化。當(dāng)在人工海水(幾乎會(huì)立即殺死哺乳動(dòng)物組織)中測試她的生物混合作品時(shí)，Webster-Wood 看到它們運(yùn)行了大約一個(gè)小時(shí)。然而，一個(gè)環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人可能需要更長的時(shí)間才能發(fā)揮作用，因此還需要做一些工作來延長它們的壽命。

　　手段還是目的？

　　然而，并不是所有制造生物混合機(jī)器人的人都需要擔(dān)心他們的作品在實(shí)地操作中會(huì)如何表現(xiàn)。波士頓哈佛大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程師 Kit Parker 說：“我將生物混合機(jī)器人視為一種實(shí)驗(yàn)工具?！?他說：“這就是我了解心臟的方式。”

　　大約 14 年前，Parker 帶著他的女兒去了波士頓的新英格蘭水族館。當(dāng)時(shí)，他和他現(xiàn)在一樣，對有多少臨床心臟病學(xué)試驗(yàn)失敗感到沮喪，他越來越認(rèn)為這是由于一個(gè)基本的缺陷：“我們不理解肌肉泵的基本規(guī)律，”他說。

　　站在水母缸前，他心想：“哇，這東西就像心臟一樣在泵血?！?然后，第二個(gè)念頭來了：“我敢打賭我可以建造它?！?/p>

　　在 2012 年發(fā)表的一篇具有里程碑意義的生物混合論文中，他和他的同事們做到了這一點(diǎn)。該團(tuán)隊(duì)描述了繪制水母結(jié)構(gòu)圖，構(gòu)建小型合成骨架，然后使用心肌細(xì)胞(心臟的肌肉細(xì)胞，具有內(nèi)在的、有節(jié)奏的收縮和舒張功能)進(jìn)行播種。結(jié)果是長達(dá)幾厘米的復(fù)制水母，它們在培養(yǎng)基池中游動(dòng)。他說：“我學(xué)到了很多?！?/p>

　　去年，Parker 的團(tuán)隊(duì)公布了一些由心肌細(xì)胞制成的小型生物混合魚類。研究魚類如何產(chǎn)生有節(jié)奏的運(yùn)動(dòng)，挑戰(zhàn)了人們長期以來對心臟起搏點(diǎn)工作方式的假設(shè)，揭示了心臟細(xì)胞層如何相互交流以創(chuàng)造節(jié)律性。2016 年，當(dāng)該團(tuán)隊(duì)展示出形狀更接近蝠鲼和鰩魚的微型心肌細(xì)胞射線時(shí)，情況也類似。Parker 說，這些機(jī)器人射線脈動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)提供了關(guān)于心臟解剖結(jié)構(gòu)為何如此的見解。

　　Parker 將他的生物混合機(jī)器人視為實(shí)現(xiàn)修復(fù)功能性心臟缺陷目標(biāo)的途中驛站。他說：“我是一個(gè)生物工程師，我用心臟細(xì)胞制造東西?！?他補(bǔ)充說：“如果我們想要朝著構(gòu)建心臟部件的方向發(fā)展，你就必須將細(xì)胞理解為一種建筑材料?！?/p>

　　他并不是唯一看到生物混合機(jī)器人作為研究工具的潛在價(jià)值的人。Xu 說，半機(jī)械水母可以幫助研究這些動(dòng)物的生物學(xué)，Raman 說，將神經(jīng)元與肌肉結(jié)合可能有助于創(chuàng)建神經(jīng)肌肉疾病模型。她還嘗試將一直在研究的光敏性肌肉組織植回受傷的小鼠體內(nèi)，以加速它們康復(fù)。

　　漫長的道路

　　Parker 的生物混合機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了他的目標(biāo)：它們在實(shí)驗(yàn)室中制造和存活，并且它們讓他能夠回答科學(xué)問題。其他生物混合機(jī)器人學(xué)家面臨的問題是，這些機(jī)器是否能夠?qū)崿F(xiàn)更誘人、更廣闊的愿景。

　　Webster-Wood 說，生物混合機(jī)器人存在許多問題需要解決，才能使生物組織和系統(tǒng)在機(jī)器人的創(chuàng)造中更常見?！霸S多基于組織工程的生物混合機(jī)器人仍處于基礎(chǔ)研究階段?！?她說。

　　除了讓生物混合生物足夠堅(jiān)固，可以在野外生存之外，還不確定基于肌肉的系統(tǒng)可以多大程度地超過目前可達(dá)到的 1-2 厘米大小。這樣的發(fā)展可能需要類似于組織血管化的東西，以便所有細(xì)胞都能夠獲得所需的能量和營養(yǎng)。在這方面，Raman 對她的肌肉移植工作感到鼓舞，在該工作中，刺激肌肉收縮似乎促進(jìn)了受傷小鼠體內(nèi)血管和神經(jīng)的生長。“也許可以利用運(yùn)動(dòng)來加速血管生長，并制造出更粗壯的東西，”她說。

　　但也許最大的問題是擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。到目前為止，大多數(shù)生物混合機(jī)器人基本上都是手工制作的。Raman 說，即使是在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，不同人制造的設(shè)備往往會(huì)發(fā)生變化——用不同批次的細(xì)胞制造的機(jī)器人也會(huì)發(fā)生變化?！斑@是一個(gè)巨大的問題，”她說。為了開始解決可靠的大規(guī)模生產(chǎn)問題，Raman 的實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在正在研究 3D 打印方法。

　　Parker 對迄今為止的生物混合努力毫不掩飾地評價(jià)說：“這屬于工藝品，而不是工程?！?他說，在他的每一篇高影響力的機(jī)器人魚類論文背后，都有多年學(xué)習(xí)如何用心肌細(xì)胞進(jìn)行構(gòu)建的經(jīng)歷。為了了解如何將肌肉細(xì)胞與合成骨架結(jié)合，他的團(tuán)隊(duì)使用了描述骨架材料物理特性的方程，來近似計(jì)算系統(tǒng)的行為方式。Parker 說：“你必須擁有設(shè)計(jì)工具。否則，這些都只是派對戲法?！?/p>

　　然而，Sato的雄心壯志遠(yuǎn)不止于一個(gè)簡單的派對戲法。他說：“我們的動(dòng)力純粹是利用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行搜救。” “拯救人們脫離災(zāi)難?！?/p>

　　至于 Raman，她將長期支持這項(xiàng)研究。她說：“也許我們需要幾十年時(shí)間才能得到一些可以在培養(yǎng)皿外發(fā)揮功能的東西?！?“我只是對 30 年的目標(biāo)感到非常舒服?！?/p>

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