三大先锋机器人设计：从微米级的分子机器人到长肉的人形机器人

选自Science Robotics

机器之心编译

参与：蒋思源、微胖、吴攀

前两天波士顿动力发布的哪吒一样的机器人 Handle 让很多人赞叹或忧心机器人的快速发展，但不可否认的是这种快速发展确实正在发生。最新一期的《科学·机器人》刊登了三篇文章，介绍了机器人领域的几项其它研究前沿，其中包括可以在人体内移动和进行手术的微型机器人、更小的利用纳米生物工程打造的分子机器人以及在人形机器人上进行组织移植物生长方面的探索。机器之心在此对这三项研究进行了整理介绍，更多详情请参阅 http://robotics.sciencemag.org/content/2/4

一、在体内进行医疗手术的微型机器人

一项研究将科幻转为了现实：研究者开发了一种能在身体内自由移动、相互通信、执行任务并在完成后降解的微型和纳米级机器人。加州大学纳米工程研究团队，是新一期 Science Robotics 这篇 Review 的作者，文章认为这些微型机器人将对疾病诊断、治疗和预防等产生重要影响。

文章强调了医学领域的四个方向，在这些方向上，微型机器人已经成功地进行了概念验证（proof-of-concept）研究：靶向传送、精准手术、生物体目标的感知和解毒。本论文合作作者，UCSD 纳米工程主席 Joseph Wang 说：「活性药物的传送是微型机器人最有前景的商业应用」。例如，去年 12 月瑞士 ETH 的研究人员就表明，线形纳米机器人可受控靶向杀死癌细胞。

我们可以从五个方面更好了解微型和纳米机器人。

1. 微型机器人很难移动，更难驱动

机器人缩小到微型和纳米级两个关键挑战就是运动和提供动力。我们根本不可能在这些微型机器上装上齿轮或电池。许多微型机器人采用的是游曳策略（swimming strategy），并通过磁场或其他能量（包括光能、热能或电能）。Wang 最喜欢的一种就是「纳米火箭（nanorocket）」，他们团队开发的一种使用胃液作为燃料并在胃部或肠道自行推动。该领域仍然在寻求能持续更长时间并使用现存资源且不用技术人员干预就可以自行运动的新能源。

2. 它们能执行外科手术任务

机器人辅助手术现如今已经是很普遍了，它们能将医生的操作转化为患者体内更细小、轻微的动作。现在，想想这些纳米级的机器人。科学家们正开发纳米钻头（nanodrillers）、微型夹钳（microgrippers）和其他工具进行体内治疗、检查体内特定区域、捕获或移除特定组织，如群细胞活检（clump of cells for biopsy）。在最近的一个案例中，研究者构建了一个类管状（tube-like）微型机器人执行手术任务，该手术任务就是将一个刺激注入到活兔子眼睛中。该微型机器人的移动是处于磁场的控制中。

3、通过集群智能进行合作

微型包括纳米机器人并非孤军奋战，成百上千个单元合作完成一项任务。「这些微型机器人能够组成小型团队，集体行动。」为此，科学家需要灌输所谓的集群智能，一种去中心化的交流范式。论文表示，使用团队行动规划和机器学习，就能实现。

4. 完成任务后，它们会自我摧毁

说实话，没有人希望纳米机器人完成任务后会堆积在体内，无论是外科纳米机器人还是输送药物等机器人。所以科学家们用生物可降解材料构建此机器人，它们在病人体内停留的时间有限，然后工作完成后就会被清楚或消失。

5. 在活体内可被使用

就像之前提到的，Wang 的纳米火箭是首个在活老鼠模型内测试的微型机器。Wang 说如今越来越多的实验室开始在活体内进行测试，包括苏黎世联邦理工大学和蒙特利尔大学。如果成功了，此次活体试验可开启在人体内的临床试验。谁想先报名？嘿嘿。

二、纳米生物工程创造的分子机器人

本期唯一的一篇 Article 题目为《微米级分子机器人通过变形回应信号分子（Micrometer-sized molecular robot changes its shape in response to signal molecules）》

纳米级生物工程的极速发展已经让生物分子器件（biomolecular device）可以设计成为传感器、致动器（actuator）、甚至是逻辑电路（logic circuit）。由这些组件（component）实现的微米级机器人（micrometer-sized robot）是生物启发机器人（bioinspired robotics）的终极目标之一。

论文作者构建了一个类似变形虫的分子机器人，该分子机器人能够响应特定的信号分子而表达持续性形体变化。该分子机器人由一个主体、致动器和致动器控制装备（离合器/clutch）组成。该分子机器人的主体是由磷脂双分子层（lipid bilayer）制成的囊泡，致动器是由蛋白质、驱动蛋白质（kinesin）和微管组成。

作者设计 DNA 分子而制成离合器（clutch）。该离合器会响应另一个用化学修改进行过序列设计的（sequence-designed）DNA 组成的信号分子。它将会把由该发动机（motor）产生的力传递到膜。当离合器接合时，分子机器人能表现出连续性的形体变化。在机器人被光照射时，会触发信号分子的释放，离合器也就脱离接合（disengaged）了，因此，形体改变的行为就会有效地终止。

此外，研究团队还展示了相反的过程，即通过输入信号而产生形体变化。

这些研究结果表明，机器人组件能一致地集成到一个功能系统中。我们期待该研究将为构建更复具杂性和功能性的可控运动分子系统（molecular systems with controllable motility）提供一个平台。

图 1：类变形虫（amoeba-like）分子机器人的设计和显微图像

图 2：未激活和激活机器人的连续性形体变化分析

图 3：个体机器人转换形体改变

图 4：机器人操作半径标准差

三、在人形机器人上进行组织移植物生长的探索

本期焦点（Focus）文章《在人形机器人上进行组织移植物生长：会是再生医学的未来战略吗？（Growing tissue grafts on humanoid robots: A future strategy in regenerative medicine?）》讲述了人形机器人在再生医学中的重要战略意义。

我们知道，过去十年中，人形机器人取得了巨大进步。其应用前景比较广阔，从医学到太空探索。尤其是，带有骨骼肌肉的人形机器人（比如，Kenshiro 和 Eccerobot）能以更安全、自然的方式与人类互动。这类机器人旨在尽可能复制人类骨骼肌肉系统（骨头-筋腱-肌肉）的解剖细节。

东京大学开发的 Kenshiro

因此，我们也毫不奇怪这类机器人也为科学和医学领域提供了新的契机。在这篇文章中，作者认为，在组织移植中，这类机器人或能帮上忙。

在老年人口中，骨骼肌肉组织失调或者损伤，越来越成为健康、经济和社会问题。通常，组织失灵会带来疼痛，也会导致行动不便。因此，一种有前途的修复策略就是工程再造组织移植物。

组织工程学的发展得益于生物反应器系统，该系统可以控制维持活体细胞以及组织得以体外存活的环境条件。不过，打造功能性的组织移植物，需要更先进的生物反应器。当前的生物反应器的问题是，无法模拟细胞所需的真实力学环境，因此无法打造用于临床的组织移植物。

成功研发出肌肉骨骼组织（体内体外）的关键就是力学模拟。较之静态条件，现有文献表明，体外力学模拟可以尽可能密切模仿有机体内的组织体验。但是，到目前为止，肌肉骨骼组织工程学中的生物反应器还相对原始。主要不足在于没办法模拟身体体验到的力学负荷（mechanical loadings）。为了能生产出可用于临床的相关移植物，未来的生物反应器需要满足以下几个条件：

首先，通过结合张力、提供多方压力，扭力以及剪应力，提供多向应力；

其次，根据解剖位置，调节负载状态适应每个个体组织；

最后，能够打造出类似天然身体部分的组织结构；

在这一语境下，人形肌肉骨骼机器人就变得很相关了。通过模仿人类骨骼结构以及不同活动中的身体运动，这类机器人能够帮助我们克服当前生物反应器的局限性。

设计一个带骨骼肌肉的人形机器人需要思考这几个问题。机器人如何与环境互动？如何驱动人形——生物反应器（humanoid-bioreactor）？如何感知力量并加以控制？

在医学、科学和工程学领域，人形——生物反应器系统会有无数应用机遇，特别可被用于：

1. 构造更适用于临床的肌肉骨骼组织移植物，特别是，通过匹配机器人形态学、力学与病患需求，实现定制化组织移植；

2. 支持多相结构的研发，比如，骨头- 筋腱-肌肉移植，这也是组织工程学中的一个重要研究领域，因为治疗期间的失败通常出现在组织交界处；

3. 进一步深入了解力学生物学（mechanobiology）以及组织治愈机制；

4. 更快地筛查未来用于肌肉骨骼修复的支架，减少临床前测试中动物模型的使用；

5. 加快研发更加安全的带肌肉骨骼机器人的研发，让其运动更加自然。鉴于基于细胞的驱动器的出现，也会促进生物混合（biohybrid）人形机器人的发展。