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類生命機(jī)器人是由活體生物系統(tǒng)與傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)深度有機(jī)融合而成，具有高能量效率、高本質(zhì)安全性、高靈敏度以及可自修復(fù)等潛在優(yōu)點(diǎn)。類生命機(jī)器人具有單獨(dú)生命體或者以機(jī)電系統(tǒng)為主體的傳統(tǒng)機(jī)器人系統(tǒng)所不具備的特性，將成為新一代機(jī)器人的發(fā)展方向。

 

中國工程院院刊《Engineering》2018年第4期刊發(fā)中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所劉連慶研究員研究團(tuán)隊(duì)的《類生命機(jī)器人發(fā)展與未來挑戰(zhàn)》一文。文章系統(tǒng)地總結(jié)了類生命機(jī)器人的發(fā)展，討論了類生命機(jī)器人的潛在發(fā)展趨勢(shì)，回顧了現(xiàn)有類生命機(jī)器人的性能，其中包括機(jī)器人簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)以及運(yùn)動(dòng)速度和方向的控制特性；討論了現(xiàn)有類生命機(jī)器人所使用的活體生物材料和非生命材料以及相應(yīng)的加工制造方法，總結(jié)了現(xiàn)有類生命機(jī)器人所采用的控制方法，包括物理及化學(xué)控制方法等。最后，討論了類生命機(jī)器人未來發(fā)展中在感知、驅(qū)動(dòng)、智能、活體生物材料、非生命材料、控制方法及信息技術(shù)等方面所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

 

一、引言

 

近些年來，隨著社會(huì)需求的不斷提高，機(jī)器人已成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的一部分，并且在不同的領(lǐng)域扮演著重要的角色。在20世紀(jì)50年代，第一代以液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為主體的工業(yè)機(jī)器人問世。而后，隨著機(jī)電技術(shù)與信息技術(shù)的發(fā)展，以機(jī)電系統(tǒng)為主體的工業(yè)機(jī)器人得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，包括醫(yī)療機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、仿生機(jī)器人及仿人機(jī)器人在內(nèi)的不同種類機(jī)器人吸引了眾多研究者的目光。

 

然而，盡管經(jīng)過數(shù)十年的努力，一些阻礙機(jī)器人發(fā)展的關(guān)鍵性問題仍然沒有得到很好的解決。目前大多數(shù)機(jī)器人均由機(jī)電系統(tǒng)組成，其主要驅(qū)動(dòng)力由電能轉(zhuǎn)換而來，因此大幅度降低了系統(tǒng)的能量利用率。有報(bào)道指出，傳統(tǒng)的機(jī)電系統(tǒng)在能量轉(zhuǎn)換過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱損失，因此有效機(jī)械能僅占所消耗全部能量的30%以下。此外，大多數(shù)基于機(jī)電系統(tǒng)的傳統(tǒng)機(jī)器人由金屬、導(dǎo)線以及其他硬質(zhì)材料所構(gòu)成。這意味著使用這些人工材料和結(jié)構(gòu)的機(jī)器人可能缺乏本質(zhì)安全性、靈活性以及在人機(jī)交互應(yīng)用中的適應(yīng)性。

 

生命材料本身具有很多優(yōu)點(diǎn)是人工材料難以達(dá)到的。例如，對(duì)于人機(jī)協(xié)同作業(yè)來說，大多數(shù)生物材料具有所需的柔軟性和安全性。并且，生物肌肉可以直接利用化學(xué)能，因此，只要在其所處環(huán)境中提供合適的營養(yǎng)，這些生物肌肉就可以將化學(xué)能直接以較高的效率（≥50%）轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)所需的機(jī)械能，而這么高的能量利用率是電動(dòng)機(jī)等非生命驅(qū)動(dòng)器難以達(dá)到的。同時(shí)，活體生物材料還具有環(huán)境自適應(yīng)、自修復(fù)和自組裝功能。除了在驅(qū)動(dòng)方面以外，活體生物材料在感知和智能方面也同樣具有顯著的優(yōu)勢(shì)，以現(xiàn)有的科技水平，這些巧妙的系統(tǒng)是很難用人工材料復(fù)制的。

 

因此，將生命系統(tǒng)與機(jī)電系統(tǒng)在分子、細(xì)胞和組織尺度進(jìn)行深度有機(jī)融合，形成一種新的類生命機(jī)器人系統(tǒng)，有望集生命體的優(yōu)點(diǎn)（如高能量效率、高功率質(zhì)量比及高能量密度）和機(jī)電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)（如高精準(zhǔn)性、高強(qiáng)度、良好的可重復(fù)性和可控性）于一身（圖1）。由于這種類生命機(jī)器人系統(tǒng)具有比以機(jī)電系統(tǒng)為主體的傳統(tǒng)機(jī)器人更為優(yōu)越的特性，因此，發(fā)展這種新類型的類生命機(jī)器人（也被成為生物機(jī)器人、生物融合機(jī)器人、生物驅(qū)動(dòng)器等）研究已經(jīng)成為當(dāng)今機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并且在過去十年中取得了重要的突破。

 

 

圖1. 活體生物系統(tǒng)與機(jī)電系統(tǒng)在不同尺度的深度有機(jī)融合形成類生命機(jī)器人系統(tǒng)。

 

在本文中我們回顧了現(xiàn)有的類生命機(jī)器人的相關(guān)研究，包括心肌細(xì)胞驅(qū)動(dòng)機(jī)器人、骨骼肌細(xì)胞驅(qū)動(dòng)機(jī)器人以及游動(dòng)細(xì)胞驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，并且我們分別從不同的角度總結(jié)了類生命機(jī)器人的發(fā)展。首先，關(guān)于類生命機(jī)器人性能的不斷拓展，我們做了詳細(xì)的總結(jié)。類生命機(jī)器人的功能隨著材料、加工方法和控制方法的進(jìn)步而不斷發(fā)展。并且，針對(duì)于應(yīng)用于類生命機(jī)器人的活體生物材料的特性我們做了詳細(xì)的總結(jié)，包括細(xì)胞驅(qū)動(dòng)力、生物材料的尺寸以及活體材料的可控性。而由于類生命機(jī)器人所采用的非生命材料不但關(guān)乎活體生命材料的性質(zhì)，如細(xì)胞分化、驅(qū)動(dòng)力及生長狀態(tài)，同時(shí)也影響整個(gè)類生命機(jī)器人的性能，如運(yùn)動(dòng)速度、執(zhí)行力及操控性能。因此本文對(duì)目前應(yīng)用于類生命機(jī)器人的非生命材料進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)。而后，本文針對(duì)于目前類生命機(jī)器人所采用的控制方法，如電脈沖刺激、光刺激、溫度刺激和化學(xué)刺激進(jìn)行分析，并分別對(duì)各種控制方法的特性進(jìn)行詳細(xì)討論。此外，針對(duì)于不同種類的類生命機(jī)器人，如行走機(jī)器人、游動(dòng)機(jī)器人以及操作機(jī)器人，本文也做了詳細(xì)的總結(jié)。最后，本文詳細(xì)討論了類生命機(jī)器人未來發(fā)展中的潛在挑戰(zhàn)。

 

二、類生命機(jī)器人發(fā)展回顧

 

在過去的十幾年間，研究者經(jīng)過不斷的努力，使得類生命機(jī)器人研究領(lǐng)域取得了快速的發(fā)展。其中一類最為簡(jiǎn)單的類生命機(jī)器人，基于其非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在具有自發(fā)收縮性的心肌細(xì)胞驅(qū)動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)單一方向的運(yùn)動(dòng)。隨后，采用收縮可控的活體生物材料，使得類生命機(jī)器人具有單一的運(yùn)動(dòng)可控性。近年來，為了使類生命機(jī)器人具有一定的執(zhí)行功能，通過引入機(jī)器人設(shè)計(jì)方法和控制理論，使類生命機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和方向具有可控性。表1詳細(xì)列舉了心肌和骨骼肌細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的類生命機(jī)器人的發(fā)展歷程。

 

表1  基于肌肉細(xì)胞的類生命機(jī)器人的發(fā)展 

 

 

PDMS: polydimethylsiloxane; DV: dorsal vessel.

 

可執(zhí)行簡(jiǎn)單的自發(fā)運(yùn)動(dòng)的類生命機(jī)器人由具有自發(fā)運(yùn)動(dòng)特性的活體生物材料驅(qū)動(dòng)，如哺乳動(dòng)物心肌細(xì)胞和昆蟲背血管組織。美國加州大學(xué)洛杉磯分校的研究者通過采用可自主收縮的心肌細(xì)胞作為驅(qū)動(dòng)單元，實(shí)現(xiàn)了可進(jìn)行簡(jiǎn)單自主運(yùn)動(dòng)的類生命機(jī)器人雛形。這款類生命機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)為采用單晶刻蝕的方法得到的硅骨架，并在硅表面覆蓋一層鉻/金薄膜，近而將心肌細(xì)胞培養(yǎng)在金屬表面，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)微結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)尺寸為138μm長、40μm寬、20 nm/300 nm（鉻/金）厚。利用N-異丙基丙烯酰胺可阻止細(xì)胞貼壁生長的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)心肌細(xì)胞在金屬薄膜上的圖形化排列生長，從而產(chǎn)生更大的收縮合力（可達(dá)14 mN·mm–2）。將心肌細(xì)胞與機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)在細(xì)胞培養(yǎng)箱中共同培養(yǎng)3天后，使類生命機(jī)器人冷卻至室溫，利用溫敏水凝膠（PNIPAAm）從37℃降至室溫由凝膠態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的特性，實(shí)現(xiàn)類生命機(jī)器人脫離基底而被釋放。進(jìn)而，類生命機(jī)器人在活體心肌細(xì)胞的收縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)自主行走運(yùn)動(dòng)，其最大運(yùn)動(dòng)速率可達(dá)38μm·s–1，平均步頻為1.8 Hz。而后，日本大阪大學(xué)的研究者展示了一款多足的可自主行走的類生命機(jī)器人。這種機(jī)器人由可自發(fā)產(chǎn)生收縮運(yùn)動(dòng)的活體昆蟲背血管組織驅(qū)動(dòng)，并且這種活體生物材料具有廣泛的溫度適應(yīng)性，從而拓寬了類生命機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境。該類生命機(jī)器人由采用鑄造方法得到的聚二甲基硅氧烷（PDMS）結(jié)構(gòu)與取自于尺蠖的昆蟲背血管組織裝配而成，其總體尺寸為12.5 mm長、1.35 mm寬、0.2 mm厚。當(dāng)將整個(gè)類生命機(jī)器人在培養(yǎng)基中培養(yǎng)10天后，該活體背血管組織可產(chǎn)生自發(fā)、有節(jié)律的跳動(dòng)，其收縮力可達(dá)20μN，在此驅(qū)動(dòng)力作用下類生命機(jī)器人可以3.5μm·s–1的速率行走。

 

動(dòng)作可受外界刺激控制的生物材料，如心肌細(xì)胞和骨骼肌細(xì)胞，其收縮力、頻率和幅值可由外界物理化學(xué)因素所控制，因此可作為受控活體生物驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)可控的類生命機(jī)器人?；诨铙w生物材料本身的或修飾的特性，電脈沖刺激、光刺激、化學(xué)刺激以及磁場(chǎng)刺激等不同方法可應(yīng)用于類生命機(jī)器人的控制研究。例如，美國哈佛大學(xué)的研究者展示了一款有心肌細(xì)胞組織和PDMS薄膜所組成的類生命機(jī)器人。為通過控制細(xì)胞在二維平面的空間分布提高心肌細(xì)胞組織的驅(qū)動(dòng)性能，他們采用了細(xì)胞外基質(zhì)蛋白（纖維連接素蛋白）使細(xì)胞在PDMS薄膜上圖形化生長。此外，他們還采用了溫敏水凝膠（PIPAAm）來實(shí)現(xiàn)薄膜從基地的自動(dòng)釋放，從而形成三維類生命機(jī)器人。在以幅值為10 V、脈寬為10 ms的電脈沖刺激作為控制信號(hào)時(shí)，該心肌細(xì)胞組織層能夠產(chǎn)生4μN·mm–2的收縮力，從而驅(qū)動(dòng)類生命機(jī)器人展示多種不同的功能，如抓取、泵液、行走及以3 mm·min–1的速率游動(dòng)。而后，美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校的研究者采用骨骼肌組織工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一款運(yùn)動(dòng)可由外加電脈沖控制的骨骼肌驅(qū)動(dòng)類生命機(jī)器人。他們根據(jù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)尺寸及所需求的水凝膠材料性能，采用三維立體光固化打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了類生命機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)制作。為增強(qiáng)組織工程骨骼肌的驅(qū)動(dòng)性能，研究者在細(xì)胞培養(yǎng)過程中加入了膠原蛋白、纖維蛋白細(xì)胞外基質(zhì)蛋白、胰島素樣生長因子，從而提高骨骼肌的增長和分化。當(dāng)成肌細(xì)胞分化形成可收縮運(yùn)動(dòng)的肌管組織后，在外界電脈沖刺激的控制下，組織工程骨骼肌中的肌管可產(chǎn)生受控的收縮力，從而驅(qū)動(dòng)類生命機(jī)器人以156 μN·s–1的最大速率行走。此外，他們還通過建模與仿真的方法研究了不同設(shè)計(jì)參數(shù)的類生命機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和性能。

 

而最近，研究者開始嘗試完全通過生物物理機(jī)制控制類生命機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向的研究。例如，哈佛大學(xué)的研究者根據(jù)鰩魚的解剖學(xué)和形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)制作了一款由心肌細(xì)胞組織驅(qū)動(dòng)的仿生類生命機(jī)器人。該組織工程的仿生鰩魚能夠在光刺激控制下進(jìn)行游動(dòng)和轉(zhuǎn)彎。為實(shí)現(xiàn)類生命機(jī)器人的仿生結(jié)構(gòu)，該研究采用了多層不同配比的PDMS薄膜與金屬骨架相結(jié)合，其中金屬骨架的作用是提高機(jī)器人結(jié)構(gòu)的形狀保持特性。為模擬鰩魚的游動(dòng)特性，根據(jù)鰩魚的肌肉組織結(jié)構(gòu)，他們采用微米印章技術(shù)在仿生鰩魚的魚鰭上圖形化覆蓋纖維連接素蛋白，從而使細(xì)胞圖像化生長，實(shí)現(xiàn)特定回路的心肌細(xì)胞組織。將心肌細(xì)胞與該仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)共同培養(yǎng)直至心肌細(xì)胞形成可自主節(jié)律跳動(dòng)的組織，通過溶解葡聚糖犧牲層實(shí)現(xiàn)類生命機(jī)器人的無損釋放。進(jìn)而，通過控制在仿生機(jī)器人魚鰭上的光刺激位置使得該機(jī)器人能夠進(jìn)行避障游動(dòng)。

 

三、類生命機(jī)器人所采用的活體生物材料

 

為充分利用生命體的特殊性能，不同活體生物材料已經(jīng)被應(yīng)用于類生命機(jī)器人研究中，從而實(shí)現(xiàn)類生命機(jī)器人優(yōu)越功能，如驅(qū)動(dòng)、感知及能量供給。在現(xiàn)有的類生命機(jī)器人研究中，常用的活體生物材料有心肌細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞、昆蟲背血管組織、鞭毛型游動(dòng)微生物以及其他可驅(qū)動(dòng)生物材料。針對(duì)于各自的應(yīng)用場(chǎng)景，每種生物材料都有其獨(dú)特的性能。

 

（一）心肌細(xì)胞

 

心肌細(xì)胞具有自發(fā)收縮的特性，其主要由肌纖維膜上特殊離子通道中的一系列特殊離子流產(chǎn)生的電刺激所引發(fā)。一個(gè)成熟的心肌細(xì)胞的長度可達(dá)100μm，一個(gè)心肌細(xì)胞層的長度可達(dá)到毫米甚至厘米量級(jí)。一旦單個(gè)心肌細(xì)胞之間生長至發(fā)生接觸，細(xì)胞之間的潤盤將連接細(xì)胞間的動(dòng)作電位，從而實(shí)現(xiàn)多細(xì)胞同時(shí)自發(fā)收縮跳動(dòng)。單個(gè)心肌細(xì)胞收縮力最少可達(dá)1μN，而心肌細(xì)胞簇能夠產(chǎn)生1~4 kPa的收縮應(yīng)力，其相當(dāng)于活體心肌所產(chǎn)生的應(yīng)力。

 

研究表明，心肌細(xì)胞組織的收縮力與心肌細(xì)胞的密度有關(guān)。然而，為了心肌細(xì)胞產(chǎn)生更大的驅(qū)動(dòng)力，需要采用基質(zhì)膠和水凝膠等生物兼容性材料，使心肌細(xì)胞形成工程化三維肌肉組織。除自發(fā)收縮運(yùn)動(dòng)之外，心肌細(xì)胞的收縮頻率和收縮力也可由不同外界刺激因素所控制，如電脈沖刺激、光刺激及化學(xué)刺激。介于單個(gè)心肌細(xì)胞的尺寸為100μm左右，以及其具有可自主收縮的特性，單個(gè)心肌細(xì)胞可作為百微米級(jí)尺度微型機(jī)器人的在體驅(qū)動(dòng)器。例如，美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校的研究者制作了一款由可自發(fā)運(yùn)動(dòng)的心肌細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的可在低雷諾數(shù)液體環(huán)境游動(dòng)的微型自驅(qū)動(dòng)類生命游動(dòng)機(jī)器人。為獲得微型仿生精子機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，他們采用了獨(dú)特的加工方法：首先，采用干法刻蝕技術(shù)在硅片上形成微結(jié)構(gòu)模具，然后，利用毛細(xì)牽引力將未固化的PDMS溶液灌入模具中。烘烤過后，硅模具與PDMS結(jié)構(gòu)一同浸泡在酒精中，利于軟體微結(jié)構(gòu)從模具中釋放。然后，將PDMS微結(jié)構(gòu)從模具中手動(dòng)剝離，并將其轉(zhuǎn)移至35 mm無菌培養(yǎng)皿中。為使仿生類生命機(jī)器人具有活體精子的游動(dòng)特性，研究者采用明膠掩模、纖維連接素蛋白和F127凝膠實(shí)現(xiàn)PDMS微結(jié)構(gòu)的選擇性功能化處理，從而實(shí)現(xiàn)心肌細(xì)胞在微結(jié)構(gòu)上的選擇性黏附，進(jìn)而達(dá)到定點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的目的。當(dāng)心肌細(xì)胞與PDMS微結(jié)構(gòu)共培養(yǎng)2~3天后，心肌細(xì)胞可產(chǎn)生自發(fā)收縮運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)微型仿生類生命游動(dòng)機(jī)器人以最大81μm·s–1的速率游動(dòng)。由于心肌細(xì)胞可以在沒有任何外界輔助的情況下產(chǎn)生自發(fā)、有節(jié)律的收縮運(yùn)動(dòng)，因此利用心肌細(xì)胞制造類生命機(jī)器人是相對(duì)容易的。但是同樣也是因?yàn)樾募〖?xì)胞可以自發(fā)收縮，使得精準(zhǔn)控制其收縮時(shí)間及幅值成為困難，因此也影響心肌細(xì)胞驅(qū)動(dòng)類生命機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。

 

（二）骨骼肌細(xì)胞

 

骨骼肌可以在神經(jīng)系統(tǒng)刺激或者是外界電脈沖刺激的情況下產(chǎn)生收縮力。因此，研究者已將電脈沖刺激引用到組織工程骨骼肌驅(qū)動(dòng)類生命機(jī)器人的控制研究中。骨骼肌細(xì)胞可以產(chǎn)生比心肌細(xì)胞更大的收縮力，其驅(qū)動(dòng)力可達(dá)400μN。通常情況下，可產(chǎn)生收縮力的肌管是由成肌細(xì)胞在馬血清的誘導(dǎo)下分化而成的。為提高活體生物材料的收縮力，研究者已采用多種不同的方法提高組織工程骨骼肌的分化和收縮特性，如電脈沖刺激、物理刺激、光遺傳學(xué)處理及刺激、化學(xué)刺激、磁場(chǎng)刺激以及生物調(diào)節(jié)。這些研究表明，以上所提到的這些方法可以提高肌管的分化效率、肌管排列性、肌管收縮力以及肌管的成熟度。

 

例如，日本東北大學(xué)的研究者提出一種插指式鉑金電極，從而提高工程化肌肉組織的生長。為得到三維排列的工程化肌肉組織，他們?cè)阢K金電極基底上加工了帶有微溝道的合成水凝膠結(jié)構(gòu)。細(xì)胞與電極共同培養(yǎng)后，采用幅值為6 V、頻率為1 Hz、寬度為10 ms的電脈沖進(jìn)行持續(xù)一天的刺激，而后對(duì)所分化得到的肌管進(jìn)行性能及基因表達(dá)的測(cè)量與分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的鉑絲電極，他們所提出的鉑金插指式電極基底更有助于工程化骨骼肌組織的生長及成熟。尤其在肌管的排列性方面，采用所提出的插指電極所誘導(dǎo)的肌管具有較高的排列性（約為80%），而采用傳統(tǒng)的鉑絲電極所誘導(dǎo)的肌管則具有較低的排列性（約為65%）。此外，與傳統(tǒng)鉑絲電極相比，采用所提出的插指式電極所誘導(dǎo)的肌管具有更大的覆蓋面積、更長的肌管長度、更多的肌肉轉(zhuǎn)錄因子以及更多的肌肉標(biāo)志性蛋白。由于工程化的骨骼肌組織具有較心肌細(xì)胞更大的尺寸、更強(qiáng)的收縮力以及更好的控制特性，現(xiàn)已有研究者進(jìn)行采用骨骼肌細(xì)胞驅(qū)動(dòng)厘米尺度的類生命機(jī)器人研究。哺乳動(dòng)物細(xì)胞需要嚴(yán)格的生存環(huán)境，如無菌的培養(yǎng)箱、37℃的環(huán)境溫度、pH值為7.4的液體環(huán)境、5%二氧化碳的氣體環(huán)境。并且為保持足夠的養(yǎng)分，培養(yǎng)基需頻繁更換。

 

（三）背血管組織

 

背血管組織是另一種可以作為類生命機(jī)器人生物驅(qū)動(dòng)器的活體生命材料。這種生物材料能夠進(jìn)行自發(fā)、有節(jié)律的收縮，也可以在外界條件刺激下控制收縮，并且它們不需要像培養(yǎng)哺乳動(dòng)物細(xì)胞那樣嚴(yán)格的條件。此外，背血管組織的環(huán)境適應(yīng)性和魯棒性較強(qiáng)的特性有益于類生命機(jī)器人研究。正如之前的研究顯示，背血管組織能夠在不更換培養(yǎng)基的情況下生存90天，并且能夠在5～40℃的環(huán)境中保持它們的收縮特性。背血管組織與哺乳動(dòng)物骨骼肌細(xì)胞性質(zhì)相似，都可以自發(fā)收縮并且滿足類生命機(jī)器人對(duì)控制性能的要求。相關(guān)研究已經(jīng)展示了昆蟲背血管組織可以被外界電脈沖刺激所控制。單個(gè)背血管組織的尺度可達(dá)到厘米級(jí)，并且它的收縮力可達(dá)100μN。由于其尺寸特性、收縮力、魯棒性以及控制特性，昆蟲背血管組織已經(jīng)被作為活體生物驅(qū)動(dòng)器廣泛應(yīng)用到類生命機(jī)器人研究中。例如，日本大阪大學(xué)的研究者發(fā)明了一種由封裝的昆蟲背血管組織驅(qū)動(dòng)的可在空氣環(huán)境工作的類生命操作器。該類生命操作器包含一個(gè)微鑷子、一個(gè)微腔室和一個(gè)活體背血管組織。其中，微鑷子和微腔室由PDMS制作而成。作為執(zhí)行器，微鑷子在裝配到其上的背血管組織驅(qū)動(dòng)力的作用下來操縱物體。微腔室用來固定微鑷子，以及存儲(chǔ)培養(yǎng)基（40μL）維持活體組織的生命。為最大化延長活體背血管組織的使用壽命，研究者采用石蠟封裝微腔室，減少培養(yǎng)基受外界的影響。在活體組織收縮力的驅(qū)動(dòng)下，微鑷子尖端距離變化為250μm。當(dāng)使用該類生命為操作器抓取一個(gè)直徑為250μm的PDMS環(huán)形結(jié)構(gòu)時(shí)，在活體組織驅(qū)動(dòng)下，該環(huán)的橫向形變?yōu)?8μm、縱向形變?yōu)?7μm。并且，他們所提出的這種類生命操作器可在空氣中工作長達(dá)5天。

 

（四）微生物

 

微生物具有自驅(qū)動(dòng)和自感知外界刺激而產(chǎn)生響應(yīng)的功能，因此可以作為類生命機(jī)器人的活體生物驅(qū)動(dòng)器。許多種類的微生物已經(jīng)被應(yīng)用于類生命機(jī)器人的研究中，其中包括鞭毛細(xì)菌（如大腸桿菌、靈桿菌、鼠傷寒沙門氏菌）、滑動(dòng)細(xì)菌（如運(yùn)動(dòng)支原體）、原生動(dòng)物（如草履蟲、溝鐘蟲及四膜蟲）和藻類（如萊茵衣藻）等。這些可運(yùn)動(dòng)的微生物可以依靠自身的動(dòng)力在液體環(huán)境中游動(dòng)，或在基底移動(dòng)。它們的分子馬達(dá)通過消耗環(huán)境中簡(jiǎn)單的營養(yǎng)（如葡萄糖）就可以產(chǎn)生充沛的動(dòng)力。此外，基于不同微生物對(duì)外界環(huán)境刺激的響應(yīng)特性，單個(gè)或群體微生物的運(yùn)動(dòng)可由不同的方法所控制。

 

目前，多種不同的刺激方法已被應(yīng)用到不同種類微生物運(yùn)動(dòng)的控制研究中，如化學(xué)刺激、磁場(chǎng)刺激、電場(chǎng)刺激、光刺激、溫度刺激及氧刺激?；谖⑸锏念惿鼨C(jī)器人除了具有尺寸小、運(yùn)動(dòng)可控外，其最主要的優(yōu)點(diǎn)在于采用微生物作為活體生物驅(qū)動(dòng)器可在廣泛的環(huán)境條件中生存。例如，一些種類的微生物能夠承受很高的溫度（大于100℃），一些能夠生存于較為廣泛的酸堿度環(huán)境（pH 2~11.5）。

 

由于微生物擁有很多優(yōu)點(diǎn)，包括它們具有很小的尺度、強(qiáng)勁的游動(dòng)力、很好的可控性、超強(qiáng)的生存能力以及較高的能量利用效率，很多研究者已將微生物應(yīng)用到不同領(lǐng)域的研究中，如生物化學(xué)探測(cè)、操縱微小以及藥物運(yùn)輸。例如，韓國全南大學(xué)的研究者研發(fā)了一款針對(duì)于抗癌藥物輸送的鞭毛細(xì)菌驅(qū)動(dòng)微型類生命生物醫(yī)藥機(jī)器人。他們采用微流控與紫外線固化相結(jié)合的技術(shù)實(shí)現(xiàn)聚乙二醇（PEG）類生命機(jī)器人微球的制作。為使該基于活體細(xì)菌的類生命微型機(jī)器人具有較高的運(yùn)動(dòng)速率，研究者對(duì)微球表面進(jìn)行選擇性處理，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)菌在微球表面的選擇性黏附，而形成單一方向的有效驅(qū)動(dòng)，具體步驟如下：首先，利用微球與瓊脂糖膠密度差異的性質(zhì)，使微球半浸沒在膠體中；然后將未固化的PDMS倒入容器中，覆蓋瓊脂糖膠及微球；待PDMS加熱固化后，取出PDMS及附著其上的微球，并將它們浸泡在多聚賴氨酸溶液中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)半個(gè)微球表面的修飾。由于細(xì)菌與疏水的PEG不產(chǎn)生黏附效應(yīng)，因此這種鼠傷寒桿菌只黏附于經(jīng)過多聚賴氨酸處理的微球表面。在游動(dòng)細(xì)菌的驅(qū)動(dòng)下，這種經(jīng)過表面選擇性處理的微型類生命機(jī)器人的游動(dòng)速率為經(jīng)過表面處理的微型機(jī)器人的12.33倍，是表面完全處理的微型機(jī)器人的7.4倍。

 

四、應(yīng)用于類生命機(jī)器人的非生命材料及相應(yīng)的加工方法

 

非生命材料作為類生命機(jī)器人的重要組成部分，為活體生命材料提供支撐、生長環(huán)境以及黏附表面。之前的相關(guān)研究已經(jīng)表明，類生命機(jī)器人的非生命材料機(jī)械特性影響機(jī)器人的整體性能，如浮動(dòng)、形變及運(yùn)動(dòng)速度。并且，非生命材料的微結(jié)構(gòu)、楊氏模量、親水性、生物兼容性以及電 導(dǎo)性等性質(zhì)均影響活體生物材料的生長狀態(tài)，如黏附性、增值特性、分化特性、排列性以及肌細(xì)胞收縮特性。例如，加拿大多倫多大學(xué)的研究者描述了基底硬度對(duì)心肌細(xì)胞形貌及功能的影響。根據(jù)真實(shí)的大鼠心機(jī)組織的機(jī)械特性（4~46.2 kPa），將提取于新生大鼠的心肌細(xì)胞培養(yǎng)至采用蛋白修飾的具有不同楊氏模量（3、22、50和144 kPa）的聚丙烯酰胺基底以及采用蛋白覆蓋的玻璃基底（假設(shè)硬度無限大）。培養(yǎng)120 h后，生長在中等硬度（與真實(shí)成年大鼠心肌組硬度22~50 kPa相似）的基底上的細(xì)胞具有較好的細(xì)胞形態(tài)、功能以及分化特性， 如具有很好的條紋狀形貌、具有合理的興奮閾值、具有較好的細(xì)胞伸長量以及具有更大的細(xì)胞收縮力。

 

常見的用于類生命機(jī)器人研究中的非生命材料包括結(jié)構(gòu)材料（如PDMS、 水凝膠、樹脂材料和SU-8）及生長材料（如基質(zhì)膠、纖維蛋白原、纖維鏈接素蛋白和膠原蛋白）。不同的非生命材料具有不同的機(jī)械和生物特性，從而它們需要不同的加工制造方法。PDMS被廣泛應(yīng)用于類生命機(jī)器人的研究中，由于它的硬度可以根據(jù)肌肉組織的硬度（大約10 kPa）而進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且針對(duì)PDMS 的制造方法也較為廣泛而簡(jiǎn)單。通常所采用的PDMS結(jié)構(gòu)都是由聚合體與固化劑以10:1的比例混合成混合液經(jīng)加熱固化而形成；而所得的PDMS結(jié)構(gòu)的楊氏模量可由不同的條件所調(diào)節(jié)，如凝聚體與固化劑的比例、加熱溫度、固化時(shí)間。

 

通常所采用的制造PDMS結(jié)構(gòu)的方法有以下幾種：鑄造方法、表面旋涂方法、切割薄膜方法以及3D打印方法。并且PDMS的生物兼容性和親水性可以采用表面修飾生長材料或者表面氧等粒子處理的方法調(diào)節(jié)。例如，美國路易斯安那州立大學(xué)的研究者加工了一款由活體心機(jī)細(xì)胞驅(qū)動(dòng)PDMS薄膜運(yùn)動(dòng)的微型游動(dòng)機(jī)器人。該機(jī)器人采用的是基于魚鰭的驅(qū)動(dòng)原理，并且可以通過維持自身的重心和淹沒深度在沒有外力作用下保持在水中穩(wěn)定游動(dòng)。該款機(jī)器人主要由一個(gè)雙層PDMS 結(jié)構(gòu)所組成的三角形頭部和一個(gè)布滿活體心肌細(xì)胞的尾部薄膜所組成。在心肌細(xì)胞的收縮力的作用下，PDMS 薄膜與水之間產(chǎn)生相互作用力，從而可以產(chǎn)生最大速率為142 μm·s–1的平穩(wěn)抗干擾游動(dòng)。

 

具有生物兼容性的水凝膠是類生命機(jī)器人發(fā)展中的另一種重要非生物材料。隨著3D立體光刻打印技術(shù)的發(fā)展，可以采用紫外激光或者其他類型的激光根據(jù)所設(shè)計(jì)的3D結(jié)構(gòu)對(duì)光誘導(dǎo)聚合物水凝膠液體進(jìn)行逐層有選擇性的固化。為了滿足活體生物材料所需的物理及生物環(huán)境的需求，可以通過調(diào)節(jié)聚合物和交聯(lián)劑的分子結(jié)構(gòu)改變水凝膠的楊氏模量，其化學(xué)性質(zhì)可以通過3D打印機(jī)進(jìn)行空間調(diào)控。并且，水凝膠的多孔性可以實(shí)現(xiàn)必要的營養(yǎng)和氣體滲透，從而使活體生命材料在其表面或者內(nèi)部生長。此外，水凝膠材料的微結(jié)構(gòu)有助于細(xì)胞的增值和分化?？紤]到水凝膠材料的眾多優(yōu)點(diǎn)，已有很多科學(xué)家嘗試使用不同的水凝膠材料制作類生命機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)。例如，美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校的研究者采用3D立體光刻打印技術(shù)制作了一款名為“Bio-Bot”的可移動(dòng)類生命機(jī)器人，其主要由水凝膠和活體心機(jī)細(xì)胞所組成。該款機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)包括作為驅(qū)動(dòng)器的“尾巴”和用來實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生單方向運(yùn)動(dòng)的“腿”?；铙w心肌細(xì)胞被種植在尾部結(jié)構(gòu)，在產(chǎn)生自發(fā)的同步收縮運(yùn)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)尾部結(jié)構(gòu)進(jìn)行彎曲運(yùn)動(dòng)，從而為類生命機(jī)器人提供驅(qū)動(dòng)力。在活體心肌細(xì)胞以平均1.5 Hz的頻率驅(qū)動(dòng)下，該類生命機(jī)器人能夠以最大236μm·s–1的速率向前運(yùn)動(dòng)。

 

通過結(jié)合多種不同性質(zhì)的材料，如硬質(zhì)材料、軟體材料以及導(dǎo)電材料，可促進(jìn)提高機(jī)器人在感知、智能及驅(qū)動(dòng)方面的功能。因此，科學(xué)家發(fā)明了多種材料復(fù)合3D打印技術(shù)，用來促進(jìn)類生命機(jī)器人的發(fā)展。例如，美國哈佛大學(xué)的研究者采用3D打印機(jī)制作了一種由多種非生命材料與活體心肌細(xì)胞相結(jié)合的器件。根據(jù)器件的功能要求，其中的非生命結(jié)構(gòu)本體由六種不同功能的墨水組成，包括壓電材料、高導(dǎo)電率材料以及具有生物兼容性的軟體材料。該器件的非生命體結(jié)構(gòu)可以在不影響活體心肌細(xì)胞生長狀態(tài)的情況下被細(xì)胞所驅(qū)動(dòng)。因此，這種多種材料復(fù)合3D打印技術(shù)可被應(yīng)用于未來的類生命機(jī)器人研究工作中。為使類生命機(jī)器人具有更廣泛的功能、更多新材料及新加工方法，智能材料、4D打印技術(shù)等急需被應(yīng)用到類生命機(jī)器人的研究之中。

 

五、類生命機(jī)器人的控制方法

 

可控性是可執(zhí)行任務(wù)的類生命機(jī)器人的重要屬性，例如，在人為控制下或系統(tǒng)自動(dòng)控制下機(jī)器人完成傳遞、操作及導(dǎo)航等工作任務(wù)。通常情況下，根據(jù)活體生物材料的固有特性，通過結(jié)合感知及外力等不同的控制方法，可實(shí)現(xiàn)類生命機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。

 

基于活體生物材料的固有特性的類生命機(jī)器人控制方法主要利用生物體本身的生物物理特性而實(shí)現(xiàn)。很多生物細(xì)胞或者組織對(duì)外界因素產(chǎn)生應(yīng)答反應(yīng)，如機(jī)械力及應(yīng)力、化學(xué)梯度場(chǎng)、電刺激、光刺激以及磁場(chǎng)。在動(dòng)物體控制肌肉細(xì)胞或者組織產(chǎn)生收縮運(yùn)動(dòng)的過程中，神經(jīng)刺激是主要的控制因素之一。并且采用電脈沖刺激可以模擬神經(jīng)信號(hào)對(duì)肌肉的刺激控制，從而重建肌肉細(xì)胞或組織的興奮——收縮過程。因此，在近些年來很多研究者均采用電脈沖刺激的方法促進(jìn)類生命機(jī)器人的發(fā)展。這種電脈沖刺激方式能夠優(yōu)化活體生命材料的狀態(tài)；促進(jìn)細(xì)胞的增值、成熟以及分化；控制肌細(xì)胞或組織的收縮運(yùn)動(dòng)（收縮頻率和力）；并且可以控制細(xì)菌等微生物的運(yùn)動(dòng)方向。之前的研究工作已經(jīng)展示了電刺激對(duì)心肌細(xì)胞的影響，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化細(xì)胞的形態(tài)及功能。

 

此外，電脈沖刺激的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)超過8天的心肌細(xì)胞產(chǎn)生同步收縮運(yùn)動(dòng)。例如，美國加州理工學(xué)院的研究者采用逆向工程的研究方法制作了一個(gè)可以由電脈沖刺激控制的類生命機(jī)器人——仿生水母。這個(gè)微型游動(dòng)機(jī)器人由一個(gè)PDMS薄膜及一層活體心肌細(xì)胞組成，其中心肌細(xì)胞的收縮力為機(jī)器人提供驅(qū)動(dòng)力。為模擬真實(shí)活體水母的游動(dòng)模式，研究者采用計(jì)算機(jī)仿真的方法對(duì)該款機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。他們通過定量地模擬真實(shí)水母的本體結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)以及動(dòng)物與液體之間的相互作用，實(shí)現(xiàn)類生命機(jī)器人的仿生游動(dòng)。在活體細(xì)胞的驅(qū)動(dòng)下，該類生命機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)近乎真實(shí)水母的游動(dòng)模式，并且其游動(dòng)速度能夠被外界電脈沖刺激所控制。在頻率為1 Hz、電場(chǎng)強(qiáng)度為2.5 V·cm–1、脈寬為10 ms的電脈沖刺激下，該類生命機(jī)器人能夠以高達(dá)2.4 mm·s–1的速率進(jìn)行游動(dòng)。雖然電脈沖刺激在促進(jìn)及控制類生命機(jī)器人中的活體生命材料中得到了廣泛的應(yīng)用，并且這種電脈沖刺激具有較高的時(shí)間分辨率，但是電場(chǎng)在液體中傳導(dǎo)的空間分辨率較差。而電脈沖刺激的空間分辨率只取決于電極與生物材料之間的距離。因此，要想解決空間分辨率低的問題，需要將刺激電極集成至基底，或要求刺激電極與被控制的細(xì)胞或組織直接接觸。然而，這種方法需要使用柔性電極集成的方法，并且可能傷害活體生物材料。

 

光控制，作為位置精確可控且對(duì)被控生物體無損的控制方法也被廣泛應(yīng)用于類生命機(jī)器人的研究之中。光控制方法可被直接應(yīng)用于趨光性活體生物材料的運(yùn)動(dòng)控制，如藻類細(xì)胞和趨光性細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)控制。根據(jù)這種活體生物體的光控制特性，我們?cè)谥暗墓ぷ髦写罱丝蓪?duì)微小物體進(jìn)行自由且精確操作的生物鑷系統(tǒng)。該系統(tǒng)的操作力由微小光斑所誘導(dǎo)的局部高密度趨光性藻類細(xì)胞的游動(dòng)合力所形成。在這項(xiàng)工作中，活體萊茵衣藻和實(shí)球藻提供操作驅(qū)動(dòng)力，波長為500 nm的光源控制藻類細(xì)胞群體運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)操作運(yùn)動(dòng)的精確控制。并且在該工作中，我們提出了兩種不同的操作模式：光斑誘導(dǎo)的操作模式以及被操作物體本體結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的操作模式。在第一種操作模式下，被操作微小物體能夠在生物驅(qū)動(dòng)力的作用下，沿著控制光斑的運(yùn)動(dòng)軌跡所移動(dòng)；在第二種操作模式下，被操作微小物體在光斑誘導(dǎo)的局部高密度游動(dòng)細(xì)胞的驅(qū)動(dòng)力下，根據(jù)自身的結(jié)構(gòu)非對(duì)稱性而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)及移動(dòng)運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明，被操作的微小物體能夠在微生物的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行最大速率為7.59μm·s–1的移動(dòng)及最大角速度為0.032 rad·s–1的轉(zhuǎn)動(dòng)。

 

除了具有趨光性的活體生物材料能夠很容易實(shí)現(xiàn)光控運(yùn)動(dòng)之外，其他的生物細(xì)胞和組織，如心肌細(xì)胞和骨骼肌細(xì)胞，在光遺傳學(xué)的幫助下同樣可以產(chǎn)生光控制特性。光遺傳學(xué)使得研究者可以通過基因工程的方法使細(xì)胞表達(dá)光敏蛋白質(zhì)，從而使肌肉細(xì)胞或組織實(shí)現(xiàn)時(shí)間及空間可控的驅(qū)動(dòng)性質(zhì)。因?yàn)楣饪梢员痪劢褂诩〖?xì)胞或組織的不同位置，從而可以實(shí)現(xiàn)有選擇地控制活體生物材料的收縮運(yùn)動(dòng)。之前的一項(xiàng)研究表明，經(jīng)過光遺傳學(xué)處理的肌細(xì)胞在光強(qiáng)為0.12 mW·mm–2、脈寬為100 ms的藍(lán)光刺激下所產(chǎn)生的收縮運(yùn)動(dòng)模式及幅度與肌肉細(xì)胞在強(qiáng)度為0.8 V·mm–1、脈寬為100 ms的電刺激下所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)相似。并且，大部分經(jīng)過光遺傳學(xué)處理的細(xì)胞、肌細(xì)胞以及組織對(duì)于光刺激具有很快的響應(yīng)速度（約為幾十毫秒）。應(yīng)用光遺傳學(xué)及光控制方法，研究者已初步實(shí)現(xiàn)了活體心肌細(xì)胞及骨骼肌細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的類生命機(jī)器人的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)控制。例如，美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校的研究者研制了一款由非侵入式光控制的骨骼肌細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的微型類生命機(jī)器人——Bio-Bot。該機(jī)器人由3D打印的水凝膠本體結(jié)構(gòu)及包含多根肌管的微型肌肉組織所構(gòu)成。

 

為使該類生命機(jī)器人具有光可控性，研究者采用現(xiàn)有的光遺傳學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)成肌細(xì)胞表達(dá)光敏感離子通道ChR2。而后，他們將轉(zhuǎn)染后的成肌細(xì)胞、纖維蛋白原、凝血酶以及基質(zhì)膠相混合，進(jìn)而形成3D肌肉組織。在光刺激下，該骨骼肌微組織可以產(chǎn)生高達(dá)300μN（0.56 kPa）的拉伸力。當(dāng)將該骨骼肌微組織裝配到3D打印所形成的水凝膠本體結(jié)構(gòu)時(shí)，在光刺激下該類生命機(jī)器人實(shí)現(xiàn)最大速率為310μm·s–1的運(yùn)動(dòng)以及角速度為2(°)·s–1的2D轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

 

由于光刺激的控制方法具有較高的時(shí)間和空間的分辨率，因此被廣泛研究并應(yīng)用于類生命機(jī)器人的發(fā)展之中，但是仍然存在著一些制約著其在類生命機(jī)器人控制方法研究中的關(guān)鍵問題。例如，用于刺激控制的會(huì)聚光可能會(huì)傷害活體生物材料；并且，有些光源，如紫外線，具有傷害細(xì)胞和微生物等活體生物材料的DNA或蛋白質(zhì)的危險(xiǎn)。因此，將某些特殊光源的光刺激應(yīng)用于類生命機(jī)器人的控制中應(yīng)限制曝光時(shí)間在一個(gè)很小的時(shí)間尺度內(nèi)。并且，有研究表明470 nm波長的光在生物組織中的有效穿透力小于740 nm。因此，控制光無法穿透像身體一樣不透明的屏障。

 

化學(xué)刺激作為另一種應(yīng)用于類生命機(jī)器人的控制方法同樣被廣泛研究。由于病變細(xì)胞的代謝不同于正常細(xì)胞而會(huì)改變身體中病灶附近的微環(huán)境，受此啟發(fā)，應(yīng)用活體生物材料對(duì)化學(xué)刺激的應(yīng)答效應(yīng)有望實(shí)現(xiàn)具有自動(dòng)控制功能的體內(nèi)介入診療類生命機(jī)器人。為研究類生命機(jī)器人的化學(xué)刺激控制方法，多種藥物已經(jīng)被應(yīng)用于骨骼肌細(xì)胞、組織和心肌細(xì)胞的收縮頻率和幅度，以及細(xì)菌的游動(dòng)速度及方向的控制研究中。例如，韓國全南國立大學(xué)的研究者為實(shí)現(xiàn)基于細(xì)菌的腫瘤診斷、主動(dòng)藥物輸送與靶向治療，研制了一種類生命細(xì)菌機(jī)器人。該微型類生命機(jī)器人的主體由細(xì)菌驅(qū)動(dòng)的微米顆粒所構(gòu)成，其驅(qū)動(dòng)力來源于有選擇性地黏附于經(jīng)牛血清白蛋白（BSA）圖形化處理的聚苯乙烯（PS）小球上的鞭毛細(xì)菌（鼠傷寒沙門氏菌）所提供。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大量的細(xì)菌有選擇地僅黏附于PS小球沒有經(jīng)過表面處理的一側(cè)。此微納機(jī)器人可以感知環(huán)境中的化學(xué)梯度，從而規(guī)劃自身的運(yùn)動(dòng)方向。在實(shí)驗(yàn)中，將眾多該機(jī)器人放置于兩端分別含有細(xì)菌化學(xué)引誘物（天冬氨酸）和細(xì)菌化學(xué)排斥物（硫酸鎳）的微流控管道中。結(jié)果顯示，類生命微納機(jī)器人能夠根據(jù)化學(xué)梯度刺激在活體細(xì)菌的驅(qū)動(dòng)下向天冬氨酸一端游動(dòng)。然而，化學(xué)刺激控制方法的時(shí)間和空間分辨率都很低，并且具有潛在的毒性作用，因此限制了其在類生命機(jī)器人控制方面的應(yīng)用。此外，當(dāng)類生命機(jī)器人距化學(xué)源較遠(yuǎn)時(shí)，隨著擴(kuò)散距離的增加，化學(xué)濃度將快速降低，從而減弱了其控制作用。

 

磁力控制方法具有無毒性、非接觸以及高穿透力等優(yōu)點(diǎn)。因此，磁場(chǎng)被廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)分子、細(xì)胞和線蟲等活體生物材料的行為控制，以及磁性細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)方向和速度控制研究中。例如，加拿大生物醫(yī)學(xué)工程研究所的研究者展示了細(xì)菌（MC-1）的運(yùn)動(dòng)速度、方向及行為可由閉環(huán)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所控制。此外，采用遠(yuǎn)磁場(chǎng)所產(chǎn)生的外力可以控制鑲嵌在類生命機(jī)器人內(nèi)部的微納磁性顆粒，從而控制類生命機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度及輔助活體生物材料實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。并且，遠(yuǎn)磁場(chǎng)也可以用于控制類生命機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向。例如，美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究者展示了采用遠(yuǎn)磁場(chǎng)方法實(shí)現(xiàn)類生命微納機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。該類生命微納游動(dòng)機(jī)器人由眾多靈桿菌黏附于直徑為6μm、具有超順磁性的顆粒構(gòu)成。其中，活體細(xì)菌提供類生命機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力，磁性顆粒在遠(yuǎn)磁場(chǎng)的控制下為類生命機(jī)器人提供運(yùn)動(dòng)控制力。進(jìn)而通過研究磁性控制參數(shù)與類生命機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能之間的關(guān)系進(jìn)行磁力控制方法的優(yōu)化。在這項(xiàng)研究中，一個(gè)小于10 mT的磁場(chǎng)可控制該類生命機(jī)器人以最大為7.3 μm·s–1的速率實(shí)現(xiàn)任意2D軌跡運(yùn)動(dòng)。然而，磁性控制方法需要采用復(fù)雜的控制算法才能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

 

雖然為了提升類生命機(jī)器人的整體性能，目前有很多控制方法被探索，但是每種控制方法都存在著一定的缺陷，從而限制了其在類生命機(jī)器人研究中的應(yīng)用。因此，為解決類生命機(jī)器人在復(fù)雜工作環(huán)境中的控制難題，結(jié)合生命科學(xué)和工程技術(shù)的采用新的驅(qū)動(dòng)機(jī)理及工具的控制方法急需被開發(fā)。

 

六、類生命機(jī)器人發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)

 

微機(jī)電系統(tǒng)、微納加工技術(shù)、生命科學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展均促進(jìn)類生命機(jī)器人領(lǐng)域的研究。目前活體生物材料與非生命材料的簡(jiǎn)單結(jié)合研究已初步實(shí)現(xiàn)。相關(guān)研究已經(jīng)展示了許多由生命材料驅(qū)動(dòng)的具有移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)以及操作等簡(jiǎn)單功能的類生命機(jī)器人。然而，仍然存在著許多急需解決的制約著類生命機(jī)器人進(jìn)一步發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。潛在的重大問題如下。

 

（一）類生命機(jī)器人的類生命感知與智能研究的缺乏

 

感知、智能與驅(qū)動(dòng)是機(jī)器人的主要功能，而對(duì)于未來的類生命機(jī)器人也應(yīng)該包含著三大主要因素。然而，目前有關(guān)類生命機(jī)器人的大部分研究?jī)H聚焦于類生命機(jī)器人在活體生物材料的驅(qū)動(dòng)下的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)。很少有關(guān)于采用活體生物材料實(shí)現(xiàn)信息感知獲取，以及采用生命體本身特性實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能功能的研究。因此，基于在類生命驅(qū)動(dòng)研究中采用活體心肌細(xì)胞和骨骼肌細(xì)胞作為驅(qū)動(dòng)單元同樣的原理，更多地采用活體生命材料實(shí)現(xiàn)類生命機(jī)器人感知與智能功能的研究需要被探索。從而使未來的類生命機(jī)器人具有高性能的感知、智能與驅(qū)動(dòng)功能。

 

（二）類生命機(jī)器人活體生物材料的缺乏

 

活體生物材料是類生命機(jī)器人的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)如感知、智能和驅(qū)動(dòng)等功能的主要單元。因此，活體生物材料的性質(zhì)決定著類生命機(jī)器人的主要性能指標(biāo)。然而，活體生物細(xì)胞或組織的獲取始終是制約著類生命機(jī)器人發(fā)展的難題。例如，在目前的研究中所采用的心肌細(xì)胞大部分來源于新生大鼠的原代心肌細(xì)胞培養(yǎng)。因此，可使用的心肌細(xì)胞數(shù)量取決于新生大鼠的數(shù)量。再如，蛇的夾窩具有高靈敏度紅外感知功能，可用于實(shí)現(xiàn)未來類生命機(jī)器人的高性能感知系統(tǒng)。但是，每條蛇僅有兩個(gè)夾窩，并且在活體樣本處理過程中夾窩很容易被損壞。并且，為實(shí)現(xiàn)多能性類生命機(jī)器人，如嗅覺、記憶以及學(xué)習(xí)等功能，新的活體生命材料及技術(shù)急需被開發(fā)。因此，為促進(jìn)類生命機(jī)器人進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)于具有驅(qū)動(dòng)、感知等功能的活體生命材料的研究應(yīng)引入新的科技手段，如生物融合及基因工程的技術(shù)。

 

（三）類生命機(jī)器人活體生物材料的長期生命維持技術(shù)的缺乏

 

大多數(shù)活體生命材料均為濕性材料，需被浸泡于適當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)基中，從而維持它們的生物活性，因此限制了類生命機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用。當(dāng)類生命機(jī)器人在空氣中工作時(shí)，其中生物材料所處的環(huán)境應(yīng)具有充足的養(yǎng)分、合適的溫度、氣體以及無菌等特性。在自然界生物體內(nèi)，皮膚和循環(huán)系統(tǒng)能夠?yàn)樯锊牧咸峁┍匾谋Ｗo(hù)及生命維持養(yǎng)分。

 

然而，為類生命機(jī)器人制作類似于皮膚的智能材料以及人造毛細(xì)血管是非常困難的。并且，新陳代謝所產(chǎn)生的熱量同樣需要被提取再利用。因此，為實(shí)現(xiàn)類生命機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展，類生命機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及生命體所需的培養(yǎng)環(huán)境的新型材料及相應(yīng)的加工方法（如智能生物材料、4D打印技術(shù)以及恒溫系統(tǒng)等）急需被探索。

 

（四）類生命機(jī)器人的控制方法缺陷

 

控制性能是機(jī)器人的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，很多研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)采用光、電以及化學(xué)等方法實(shí)現(xiàn)了類生命機(jī)器人的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)控制。然而，現(xiàn)有的控制方法大多存在應(yīng)用弊端。例如，基于動(dòng)作電位傳導(dǎo)的電脈沖控制方法具有較低的空間分辨率；并且如果采用接觸電極的方法進(jìn)行控制位置精度的提升可能會(huì)對(duì)活體生物細(xì)胞產(chǎn)生傷害；光控制的方法需要應(yīng)用于透明的介質(zhì)環(huán)境；采用擴(kuò)散原理的化學(xué)刺激控制具有較低的時(shí)間和空間分辨率；磁場(chǎng)控制需要較為笨重的外部設(shè)置以及復(fù)雜的計(jì)算機(jī)控制算法。因此，可應(yīng)用于多重復(fù)雜環(huán)境的類生命機(jī)器人通用控制方法急需被探索。

 

（五）類生命機(jī)器人信息獲取、處理及信息接口技術(shù)的缺乏

 

信息獲取、傳遞以及處理等信息技術(shù)是智能機(jī)器人的主要因素之一。機(jī)器人信息獲取模塊所采集的信息需要被無損地傳遞給機(jī)器人智能模塊進(jìn)行處理及記錄。進(jìn)而，信息被傳遞給輸出模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)控制。因此，智能機(jī)器人的信息接口技術(shù)是機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)。然而，目前有關(guān)類生命機(jī)器人的工作很少有聚焦于機(jī)器人信息技術(shù)方面的研究。信息技術(shù)的引入將有可能促進(jìn)類生命機(jī)器人的高速發(fā)展。此外，類生命機(jī)器人感知模塊、信息處理單元以及驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的集成研究也將是未來類生命機(jī)器人所面臨的重大挑戰(zhàn)。

 

七、總結(jié)

 

類生命機(jī)器人融合生命體和非生命機(jī)電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，由于其具有潛在的高能量效率、高本質(zhì)安全性以及高靈敏度等特性，可能成為新一代機(jī)器人的發(fā)展方向。本文從功能、活體生物材料、非生命材料以及控制方法研究方面分別討論了類生命機(jī)器人的發(fā)展。同時(shí)，從感知、智能、生命和非生命材料、控制方法以及信息處理技術(shù)方面分別討論了未來類生命機(jī)器人發(fā)展中可能面臨的重要挑戰(zhàn)。本文僅提到了有關(guān)類生命機(jī)器人研究的部分工作；此外，細(xì)胞培養(yǎng)、組織工程、光遺傳學(xué)、微納制作、3D打印以及微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域的研究同樣為類生命機(jī)器人的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。探索類生命機(jī)器人發(fā)展的機(jī)遇及克服所面臨的挑戰(zhàn)需要機(jī)器人、機(jī)電、生物、醫(yī)藥和化學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域的共同發(fā)展。雖然目前所研究的大部分類生命機(jī)器人僅局限于毫米和微米尺度，但是較傳統(tǒng)微納機(jī)器人具有顯著的優(yōu)勢(shì)。例如，心肌細(xì)胞具有直接利用環(huán)境中的化學(xué)能而產(chǎn)生自驅(qū)動(dòng)的特性；這將為解決微小機(jī)器人在特殊工作環(huán)境中（如人體）的能量供給和控制問題提供新的思路。未來的類生命機(jī)器人將具備多重功能特點(diǎn)，如本質(zhì)安全性強(qiáng)、感知靈敏度高、信息處理速度快、智能程度高以及自修復(fù)能力強(qiáng)等，從而可以在不同的領(lǐng)域?yàn)槿祟惙?wù)。