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從《弗蘭根斯坦》中用鐵釘鉚起血肉的人造人，到《攻殼機(jī)動(dòng)隊(duì)》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(xiàn)實(shí)中，機(jī)器人領(lǐng)域的研究者們也在嘗試將生物與機(jī)器進(jìn)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(xué)的思路師法自然，也可以直接改造、控制生命為人類服務(wù)。這類研究，統(tǒng)稱為“生物混合機(jī)器人”（Biohybrid Robot）。機(jī)器人領(lǐng)域的研究者們正嘗試將生物與機(jī)器進(jìn)行融合。圖片：《攻殼機(jī)動(dòng)隊(duì)》劇照 從傳感器到茶包標(biāo)簽 ——細(xì)胞們的角色扮演 “生物混合機(jī)器人”研究中最直接的形式，就是把來(lái)自生命的材料直接裝進(jìn)機(jī)器。
當(dāng)然，這種研究絕不是恐怖電影中常見的，眼球放進(jìn)鋼鐵頭骨，或者手臂大腿拼到機(jī)械軀干。現(xiàn)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(fā)光的細(xì)菌。作為單細(xì)胞生物，發(fā)光細(xì)菌能將化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，是生物實(shí)驗(yàn)室中常見的研究素材之一。它們?cè)诤芏喾矫娑加兄鴳?yīng)用潛力，比如作為傳感器來(lái)使機(jī)器在小尺寸下，完成對(duì)特定化學(xué)物質(zhì)的探測(cè)。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究者通過人工合成的發(fā)光細(xì)菌捕捉化學(xué)信號(hào)，再通過發(fā)光二極管激發(fā)這些細(xì)菌的熒光反應(yīng)，使細(xì)菌發(fā)光?；瘜W(xué)物質(zhì)的濃度會(huì)影響光信號(hào)的強(qiáng)弱。隨后，這些光信號(hào)被光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，傳輸至處理芯片。將這些發(fā)光細(xì)菌和配套裝置整合到柔性機(jī)器手中，就能極大擴(kuò)展這些機(jī)器手的功能——如同為機(jī)器手安裝上了感受化學(xué)信號(hào)的“眼睛”。發(fā)光細(xì)菌在機(jī)器手中起到了傳感器的功能。圖片：Justus, Kyle B., et al. / Science Robotics（2019）；漢化：莔莔 細(xì)胞不僅可以作為傳感部件使用，也可以作為驅(qū)動(dòng)部件。日式料理中經(jīng)常出現(xiàn)一種叫做納豆的食物，這是由黃豆通過納豆菌發(fā)酵制成的豆制品。納豆菌細(xì)胞對(duì)于濕度十分敏感，遇濕膨脹，干燥則收縮。正是這一種看似普通的特性，如若經(jīng)過巧妙設(shè)計(jì)，就可以實(shí)現(xiàn)出神奇的功能。麻省理工學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)了一套微米級(jí)分辨率的生物打印系統(tǒng)，可以將納豆菌細(xì)胞打印成各種各樣的形狀。通過預(yù)先設(shè)計(jì)的巧妙結(jié)構(gòu)，能讓這些納豆菌細(xì)胞構(gòu)成的物件，成為對(duì)濕度變化進(jìn)行反應(yīng)的小小機(jī)器。比如，打印出的茶包標(biāo)簽會(huì)在茶泡好時(shí)展開，打印出的干花則可以將濕度變化以綻放的形態(tài)顯示出來(lái)。納豆菌細(xì)胞打印出的茶包標(biāo)簽與干花。圖片：Yao, Lining, et al. / Proceedings of the 33rd Annual ACM Conference on Human Factors in Computing Systems（2015） 除了對(duì)生物直接進(jìn)行利用，“師法自然”也是機(jī)器人研究者們的必修課。
1903年，萊特兄弟向鳥學(xué)習(xí)了飛翔。自飛機(jī)問世以來(lái)，人類已經(jīng)設(shè)計(jì)出了各種各樣的飛行器。但是，無(wú)論是空中客車還是無(wú)人機(jī)，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(duì)自身形體進(jìn)行靈活、動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)瞬息萬(wàn)變的氣流環(huán)境。通過對(duì)鴿子骨骼和羽翼的動(dòng)力學(xué)研究，斯坦福大學(xué)的學(xué)者發(fā)現(xiàn)了羽翼上不同羽毛之間的運(yùn)動(dòng)與協(xié)調(diào)規(guī)律。他們收集起40根真羽毛，模仿骨骼設(shè)計(jì)了連桿結(jié)構(gòu)，通過4個(gè)微型電機(jī)對(duì)這些羽毛進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。這種“真羽毛 電機(jī)”的生物混合機(jī)翼，可以在氣流中迅速而穩(wěn)定地變形，從而實(shí)現(xiàn)高效飛行。也許未來(lái)的某一天，我們就會(huì)搭乘上煽動(dòng)翅膀的機(jī)器大鳥，在空中翱翔。“真羽毛 電機(jī)”的生物混合機(jī)翼。圖片：Chang, Eric, et al. / Science Robotics（2020） 不僅僅是飛行，機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)一直都是研究難點(diǎn)。比如，怎樣讓機(jī)器如同人類手指一樣靈活，就是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。東京大學(xué)的研究人員參考了骨骼肌，通過在機(jī)器人中加入肌肉組織，讓機(jī)器在微小尺寸下更加精確、穩(wěn)定地運(yùn)動(dòng)。他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)帶有關(guān)節(jié)的機(jī)械手，利用對(duì)稱的骨骼肌進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使關(guān)節(jié)能夠進(jìn)行大角度的旋轉(zhuǎn)。很多動(dòng)物都能做出這種對(duì)抗性放松-收縮的肌肉動(dòng)作——你在拾取或放下東西時(shí)，手指上發(fā)生的就是這類動(dòng)作。通過這種設(shè)計(jì)，就能做出一個(gè)靈活的機(jī)器手指了。利用骨骼肌完成機(jī)器的大角度動(dòng)作。圖片：Morimoto Yuya, et al. / Science Robotics（2018） 使用細(xì)胞或者肌肉作為一部分零件，亦或是從生物的進(jìn)化中汲取靈感，這些技術(shù)思路固然巧妙，但能否更直接些，讓我們來(lái)操控一個(gè)生物！北卡羅萊納州立大學(xué)的研究者將目光投向了一種和藹可親的小動(dòng)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后方天敵的運(yùn)動(dòng)，借此改變自己的行動(dòng)路線——可以說，觸角和尾須，就是它們的天線和后視鏡。背著控制裝置的蟑螂。圖片：Latif, et al. / Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society（2012） 研究人員將控制芯片、WiFi芯片等集成到了一個(gè)輕巧的電路板上，并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(diào)控。于是，這樣一只背著“小背包”的蟑螂，就能按照指令前進(jìn)了。如果實(shí)驗(yàn)中使用了廣東的蟑螂，說不定能造出一個(gè)飛行機(jī)器人。不過，簡(jiǎn)單的控制已經(jīng)無(wú)法滿足科研人員的野心，他們有些大膽的想法——從零開始創(chuàng)造“活”的機(jī)器人。就在今年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊報(bào)道了來(lái)自美國(guó)塔夫茨大學(xué)的研究成果：科學(xué)家們創(chuàng)造了一款活體機(jī)器人，名為“Xenobots”。這款活體機(jī)器人完全由蟾蜍的細(xì)胞組成。準(zhǔn)確來(lái)說，是兩種蟾蜍細(xì)胞：一種是表皮細(xì)胞，彈性較弱，作用類似于機(jī)器人中的骨架；另一種是心肌細(xì)胞，能夠進(jìn)行伸縮，可以充當(dāng)驅(qū)動(dòng)部件。（左）綠色方塊代表蟾蜍的表皮細(xì)胞，紅色方塊代表蟾蜍的心肌細(xì)胞。（右）兩種細(xì)胞組成計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的構(gòu)型以實(shí)現(xiàn)指定的功能。圖片：Sam Kriegman 為了讓活體機(jī)器人可以按照人們指定的方式移動(dòng)，研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用了遺傳算法。當(dāng)想讓機(jī)器人完成某種動(dòng)作（比如：沿直線移動(dòng)）時(shí)，遺傳算法可以給出一套最優(yōu)化的模型。按照這一優(yōu)化模型，研究者使用顯微工具對(duì)蟾蜍細(xì)胞團(tuán)進(jìn)行加工，就得到可以做出“指定動(dòng)作”的活體機(jī)器人。這些基于不同模型的細(xì)胞團(tuán)尺寸在1毫米左右，可以完成移動(dòng)、推動(dòng)物體、自動(dòng)愈合等功能。 Xenobots的一個(gè)模型（左）及其實(shí)物（右）圖片：uvm.edu 這些看似平平無(wú)奇的細(xì)胞團(tuán)，就是人類有史以來(lái)第一次“完全從頭開始設(shè)計(jì)的生物機(jī)器”。技術(shù)飛速進(jìn)步，生物與機(jī)器相互交融，科幻電影中的場(chǎng)景似乎離我們也沒那么遙遠(yuǎn)。無(wú)論是借由生物改進(jìn)機(jī)器性能，還是讓機(jī)器向生物學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)方式，生物混合機(jī)器人的研究一直在暗示著這樣的道理：只有愈發(fā)理解生命，才能更好地創(chuàng)造機(jī)器。然而，技術(shù)之外，更多問題浮出水面。生物與機(jī)器間的界線逐漸模糊：Xenobots由100%的細(xì)胞構(gòu)成，那么，該稱其為“生物”還是“機(jī)器”？當(dāng)人類試圖扮演“造物主”，接下來(lái)的故事如何發(fā)展，充滿未知與挑戰(zhàn)——不過，控制蟑螂那個(gè)，請(qǐng)你們抓緊研究！能不能把它們?cè)O(shè)置成繞開我家?。ň庉嫞簣A的方塊）
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