新一代微型生物机器人正在展示它的肌肉。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(University of Illinois at urbana - champae)的工程师展示了一类由肌肉细胞提供动力并由电脉冲控制的行走“生物机器人”，让研究人员前所未有地掌握了它们的功能。该研究小组在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academy of Science)早期在线版上发表了他们的研究成果。
“由细胞驱动的生物驱动是你想要建造的任何生物机器的基本需求，”研究负责人拉希德·巴希尔说，“我们正试图将这些工程原理与生物学结合起来，以便用于设计和开发用于环境和医学应用的生物机器和系统。生物学是非常强大的，如果我们能以某种方式学会利用它的优势进行有用的应用，它可能会带来很多伟大的东西。”
Bashir的团队一直是设计和制造生物机器人的先驱，这种机器人的尺寸不到一厘米，由可弯曲的3d打印水凝胶和活细胞制成。此前，该研究小组展示了由老鼠心脏细胞提供动力的自主“行走”的生物机器人。然而，心脏细胞不断收缩，使研究人员无法控制机器人的运动。这使得利用心脏细胞来设计生物机器人变得很困难，它可以打开和关闭，加速或减速。
这种新型生物机器人由一条可以被电脉冲触发的骨骼肌细胞提供动力。这为研究人员提供了一种简单的方法来控制生物机器人，并为其他正向设计原则打开了可能性，因此工程师可以为特定的应用定制生物机器人。
巴希尔说:“骨骼肌细胞非常有吸引力，因为你可以使用外部信号来衡量它们的速度。”“例如，当你设计一种设备时，你想让它在感受到化学物质或接收到特定信号时开始工作，你就会使用骨骼肌。对我们来说，它是设计工具箱的一部分。我们希望工程师可以使用不同的选项来设计这些东西。”
设计灵感来自于自然界中发现的肌肉-肌腱-骨骼复合体。3d打印水凝胶的骨架足够强大，可以构造生物机器人的结构，但又足够灵活，可以像关节一样弯曲。两根柱子将一块肌肉固定在脊椎上，就像肌腱将肌肉固定在骨头上一样，但这些柱子也充当了生物机器人的脚。
机器人的速度可以通过调整电脉冲的频率来控制。更高的频率会导致肌肉收缩更快，从而加快生物机器人的进程，如视频中所示。
“这是很自然的，我们将从仿生设计原则开始，比如肌肉骨骼系统的原生组织，作为一个起点，”研究生卡罗琳·切维特科维奇(Caroline Cvetkovic)说，她是论文的第一作者之一。“这项工作代表了开发和控制生物机器的重要第一步，这些机器可以被刺激、训练或编程来工作。令人兴奋的是，这个系统最终可能进化成一代生物机器，可以在药物输送、外科机器人、‘智能’植入物或移动环境分析仪等无数其他应用中提供帮助。”
接下来，研究人员将努力获得对生物机器人运动的更大控制，比如整合神经元，以便利用光或化学梯度将生物机器人引导到不同的方向。在工程方面，他们希望设计一种水凝胶骨架，允许生物机器人根据不同的信号向不同的方向移动。多亏了3d打印技术，工程师们可以快速探索不同的形状和设计。Bashir和他的同事甚至计划将一个单元整合到本科实验室课程中，这样学生们就可以设计不同种类的生物机器人了。
这篇论文的第一作者之一、研究生里图·拉曼(Ritu Raman)说:“‘用生物学构建’的目标并不是一个新的目标——组织工程研究人员多年来一直致力于逆向工程本地组织和器官，这在医学应用上非常有前景。”“但为什么止步于此呢?”我们可以更进一步，利用细胞的动态能力来自我组织并对环境信号作出反应，从而推进非自然生物机器和系统的工程。
Bashir说:“用这些基于细胞的结构进行正向工程的想法是非常令人兴奋的。”“我们的目标是将这些设备用作自主传感器。例如，我们希望它能感知到一种特定的化学物质并朝它移动，然后释放药剂来中和毒素。控制冲动是朝着这个目标迈出的一大步。”
欲了解更多信息，请访问www.illinois.edu．
了下:M2M(机器对机器)
