细菌做“眼睛”、蟑螂当“跑腿”……总有一些特立独行的机器人

作者: 莔莔

来源: 我是科学家iScientist

发布日期: 2020-06-05

机器人领域的研究者们正在尝试将生物与机器进行融合,创造出生物混合机器人。这些机器人利用生物材料的特性,如发光细菌作为传感器,纳豆菌细胞作为驱动部件,以及通过仿生学设计高效飞行的机翼。此外,研究者还尝试直接控制生物,如蟑螂,以及创造完全由生物细胞组成的活体机器人Xenobots。这些研究不仅展示了生物与机器融合的可能性,也提出了关于生命定义和伦理的深刻问题。

从《弗兰根斯坦》中用铁钉铆起血肉的人造人,到《攻壳机动队》中用义肢替换器官的生化警察。在很多科幻作品中,都有各种钢铁与血肉混合的“生命体”。现实中,机器人领域的研究者们也在尝试将生物与机器进行融合。他们既可以利用生物材料的某些特性,或者依照仿生学的思路师法自然,也可以直接改造、控制生命,为人类服务。这类研究,统称为“生物混合机器人”(Biohybrid Robot)。

“生物混合机器人”研究中最直接的形式,就是把来自生命的材料直接装进机器。当然,这种研究绝不是恐怖电影中常见的,眼球放进钢铁头骨,或者手臂大腿拼到机械躯干。现阶段,研究者们主要是利用某些生命的一些特殊能力,比如能够发光的细菌。作为单细胞生物,发光细菌能将化学信号转化为光信号,是生物实验室中常见的研究素材之一。它们在很多方面都有着应用潜力,比如作为传感器来使机器在小尺寸下,完成对特定化学物质的探测。

细胞不仅可以作为传感部件使用,也可以作为驱动部件。日式料理中经常出现一种叫做纳豆的食物,这是由黄豆通过纳豆菌发酵制成的豆制品。纳豆菌细胞对于湿度十分敏感,遇湿膨胀,干燥则收缩。正是这一种看似普通的特性,如若经过巧妙设计,就可以实现出神奇的功能。麻省理工学院的研究人员设计了一套微米级分辨率的生物打印系统,可以将纳豆菌细胞打印成各种各样的形状。

通过预先设计的巧妙结构,能让这些纳豆菌细胞构成的物件,成为对湿度变化进行反应的小小机器。

除了对生物直接进行利用,“师法自然”也是机器人研究者们的必修课。1903年,莱特兄弟向鸟学习了飞翔。自飞机问世以来,人类已经设计出了各种各样的飞行器。但是,无论是在飞行过程中的能量利用率始终比鸟类逊色不少。

鸟类能够保持高效率飞行的重要原因之一,是它们的羽翼可以对自身形体进行灵活、动态的调节,以适应瞬息万变的气流环境。通过对鸽子骨骼和羽翼的动力学研究,斯坦福大学的学者发现了羽翼上不同羽毛之间的运动与协调规律。

使用细胞或者肌肉作为一部分零件,亦或是从生物的进化中汲取灵感,这些技术思路固然巧妙,但能否更直接些,让我们来操控一个生物!北卡罗莱纳州立大学的研究者将目光投向了一种和蔼可亲的小动物——蟑螂。

蟑螂能够利用触角感受前方的障碍物,利用腹部上的尾须感受后方天敌的运动,借此改变自己的行动路线——可以说,触角和尾须,就是它们的天线和后视镜。研究人员将控制芯片、WiFi芯片等集成到了一个轻巧的电路板上,并把这块集成小装置固定在蟑螂背部。通过电极刺激蟑螂的触角和尾须,就能欺骗它们的方向调控。

就在今年,美国国家科学院院刊报道了来自美国塔夫茨大学的研究成果:科学家们创造了一款活体机器人,名为“Xenobots”。这款活体机器人完全由蟾蜍的细胞组成。准确来说,是两种蟾蜍细胞:一种是表皮细胞,弹性较弱,作用类似于机器人中的骨架;另一种是心肌细胞,能够进行伸缩,可以充当驱动部件。为了让活体机器人可以按照人们指定的方式移动,研究团队应用了遗传算法。

当想让机器人完成某种动作时,遗传算法可以给出一套最优化的模型。

技术飞速进步,生物与机器相互交融,科幻电影中的场景似乎离我们也没那么遥远。无论是借由生物改进机器性能,还是让机器向生物学习运动方式,生物混合机器人的研究一直在暗示着这样的道理:只有愈发理解生命,才能更好地创造机器。然而,技术之外,更多问题浮出水面。

生物与机器间的界线逐渐模糊:Xenobots由100%的细胞构成,那么,该称其为“生物”还是“机器”?或者,我们又该如何定义“生命”?当人类试图扮演造物主,接下来的故事如何发展,充满未知与挑战。

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