用心肌細胞做一條「人造魚」

2020-11-23 果殼網

在實驗室裡，科學家和工程師們創造出的仿生機器人作品不勝枚舉，這些人造物步態微妙地模仿著狗、蟑螂、章魚、蠑螈，或是別的什麼生物。而現在，一種聽起來更加瘋狂的模仿品誕生了——一隻硬幣大小的迷你人造鰩魚。來自哈佛大學的凱文·基特·帕克（Kevin Kit Parker）和他的同事們製造出了這只可以在光控制下像鰩魚一樣遊動的小傢伙，相關論文發表在7月8日的《科學》上，它還登上了當期期刊封面[1]。

《科學》封面上的人造鰩魚

這隻人造鰩魚不是生物，但它也不是一般意義上的機器人。某種意義上說，它是「活的」——這是一隻由人工材料和大鼠心肌細胞組成的複合體，活的心肌細胞在其中收縮，帶來了動力。人造鰩魚的每一樣製作素材看起來都和鰩魚八竿子打不著，但在光束的控制下，它依然遊得有模有樣。

動圖素材來自：S.-J. Park et al.

別看模樣似乎古怪了點，但鰩魚也是製作遊泳機器人的良好樣板：它們扁平的身體很穩定，可以有效防止傾斜或是翻轉，同時，這種波浪式有序擺動的遊泳方式能量效率也相當高。

真鰩魚的遊泳姿態。動圖素材來自：S.-J. Park et al.

在研究了真鰩魚的身體姿態、神經肌肉動力學等之後，研究者們開始了他們的「造鰩」實驗。這個人造鰩魚的結構比真實的生物要簡單很多，不過設計上也頗有創意：這隻人造鰩魚結合了透明彈性材料（聚二甲基矽氧烷）組成的身體、金質骨架和一層提供動力的大鼠心肌細胞。這些大鼠心肌細胞經過光遺傳學技術改造，它們會表達一種光敏感離子通道，在藍光的照射下可以激活收縮過程。當這些心肌細胞收縮時，可以帶動人造小鰩魚的身體兩側向下收縮，而向上的運動則依賴身體骨架的彈性進行回彈。

由透明彈性材料、骨架和心肌細胞組成的人造鰩魚。圖片來自原論文

通過組織工程學技術，研究者們在人造鰩魚中加入了一層有序排列的心肌細胞。不過，這些細胞可以不是簡單地鋪滿了整個平面，而是呈現蛇形排列（見下圖）。這樣做是為了在從前端激活細胞時，讓收縮信號的傳遞產生更加明顯的延遲，形成從前到後波浪式的有序收縮。

為了讓肌細胞產生波浪形的有序收縮，研究者們將這些細胞排列成蛇形來增加延遲。上圖來自原論文，下圖素材來自：Science Magazine

在鰩魚體內，這樣有序的收縮要依靠神經系統來控制，而在這裡，研究者們找到了相對簡單的模擬方式。實驗證明，這種模擬方式的效果確實還不錯，近距離觀察時，我們能看到人造鰩魚的身體在光的控制下有序地運動，這也確實推動它持續地向前遊動了起來。

近距離觀察光刺激下人造鰩魚的運動。動圖素材來自：S.-J. Park et al.

研究者們用兩束藍光脈衝照向人造小鰩魚的前方來激活它們的運動，並通過光脈衝的頻率來加以調節。如果在左右兩側使用頻率不同的光，還可以讓「鰩魚」的身體不對稱地運動，這樣就實現了轉向，在光線的引導下，小「鰩魚」還成功地繞開了各種障礙物。

在不對稱光照的作用下實現轉彎。動圖素材來自：S.-J. Park et al.

在此之前，帕克的研究團隊還用類似的思路製造過通過電刺激控制的矽膠水母，這種人造水母同樣由彈性材料和心肌細胞組成，而比起水母，人造鰩魚的複雜性又上了一個新的臺階。不過，研究者們的目標並不僅僅是製造「活體機器人」。帕克表示，他真正的研究興趣在於研發功能良好的人造生物心臟。通過這些結合細胞組織的人造物，研究者們能更好地理解心肌的運作方式，並學會如何控制它們。（編輯：窗敲雨）

編輯吐槽：如果讓標題黨來寫的話，報導標題或許會是這樣：「科學家公然造鰩，其成果竟登上國際頂級期刊」……

參考資料：

  1. S.-J. Park, M. Gazzola, K. S. Park, S. Park, V. Di Santo, E. L. Blevins, J. U. Lind, P. H. Campbell, S. Dauth, A. K. Capulli, F. S. Pasqualini, S. Ahn, A. Cho, H. Yuan, B. M. Maoz, R. Vijaykumar, J.-W. Choi, K. Deisseroth, G. V. Lauder, L. Mahadevan, K. K. Parker. Phototactic guidance of a tissue-engineered soft-robotic ray. Science, 2016; 353 (6295): 158 DOI: 10.1126/science.aaf4292
  2. http://www.sciencemag.org/news/2016/07/robotic-stingray-powered-light-activated-muscle-cells

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