原創 莔莔 我是科學家iScientist
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 | 《攻殼機動隊》劇照
從傳感器到茶包標籤
——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幹。現階段，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，再通過發光二極體激發這些細菌的螢光反應，使細菌發光。化學物質的濃度會影響光信號的強弱。隨後，這些光信號被光電探測器轉化為電信號，傳輸至處理晶片。
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 | 參考文獻[1]/漢化：莔莔
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製成的豆製品。納豆菌細胞對於溼度十分敏感，遇溼膨脹，乾燥則收縮。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解析度的生物列印系統，可以將納豆菌細胞列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，成為對溼度變化進行反應的小小機器。比如，列印出的茶包標籤會在茶泡好時展開，列印出的乾花則可以將溼度變化以綻放的形態顯示出來。
納豆菌細胞列印出的茶包標籤與乾花 | 參考文獻[2]
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，無論是空中巴士還是無人機，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，史丹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，模仿骨骼設計了連杆結構，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 | 參考文獻[3]
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鬆-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 | 參考文獻[4]
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後方天敵的運動，藉此改變自己的行動路線——可以說，觸角和尾須，就是它們的天線和後視鏡。
背著控制裝置的蟑螂 | 參考文獻[5]
研究人員將控制晶片、WiFi晶片等集成到了一個輕巧的電路板上，並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。
於是，這樣一隻背著「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導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，作用類似於機器人中的骨架；另一種是心肌細胞，能夠進行伸縮，可以充當驅動部件。
（左）綠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。這些基於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、自動癒合等功能。
Xenobots的一個模型（左）及其實物（右） | www.uvm.edu
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麼遙遠。
無論是藉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，那麼，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。
（不過，控制蟑螂那個，請你們抓緊研究！能不能把它們設置成繞開我家！）
作者名片
作者：莔莔
編輯：圓的方塊
排版：雷穎
題圖來源：《機械姬》劇照
參考文獻：
[1] Justus, Kyle B., et al. "A biosensing soft robot: Autonomous parsing of chemical signals through integrated organic and inorganic interfaces." Science Robotics 4.31 (2019): eaax0765.
[2] Yao, Lining, et al. "BioLogic: natto cells as nanoactuators for shape changing interfaces." Proceedings of the 33rd Annual ACM Conference on Human Factors in Computing Systems. 2015.
[3] Chang, Eric, et al. "Soft biohybrid morphing wings with feathers underactuated by wrist and finger motion." Science Robotics 5.38 (2020).
[4] Morimoto, Yuya, Hiroaki Onoe, and Shoji Takeuchi. "Biohybrid robot powered by an antagonistic pair of skeletal muscle tissues." Science Robotics 3.18 (2018): eaat4440.
[5] Latif, Tahmid, and Alper Bozkurt. "Line following terrestrial insect biobots." 2012 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE, 2012.
[6] Kriegman, Sam, et al. "A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms." Proceedings of the National Academy of Sciences (2020).
歡迎個人轉發到朋友圈
本文版權屬於「我是科學家」，未經授權不得轉載。如需轉載請聯繫iscientist@guokr.com
原標題：《細菌做「眼睛」、蟑螂當「跑腿」……總有一些特立獨行的機器人》
閱讀原文