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机器人的新进化

在大多人的印象中,机器人是笨拙而机械化的,它们由金属材料构成,靠机械能产生动力,似乎跟生命扯不上什么关系。不过,随着3D打印技术和组织工程学的发展,生命与机械的界限已经被打破,动物的细胞、肌肉乃至心脏,现在都可以跟冷冰冰的机械相结合,创造出更灵活更有生命力的新一代机器人。
机器鳐鱼.jpg
依靠心脏细胞的机器鳐鱼

2016年7月,美国哈佛大学的科学家们推出了全球首个生物合成机器人——机器鳐鱼。这个机器人模仿自然界中的鳐鱼制造而成,长只有1.5厘米,重只有10克,其骨干由黄金制作而成,皮层由硅树脂制成,能以每秒3毫米的速度缓慢前进。神奇的是,其动力来源竟然是老鼠心脏细胞。
机器鳐鱼的制动体由老鼠心脏细胞构成。这些细胞位于植入了特殊蛋白的有机矽制作的模板上,沿着模板的蛇形图案整齐排列生长,一周内的数量能繁殖到20万个,形成类似鳐鱼的肌肉纤维结构,靠收缩产生前进动力。
那么,这些心脏细胞怎么知道什么时候收缩呢?
事先,研究者们会往这些活体细胞的基因里增添对特定光谱敏感的基因,当特定光脉冲对其电击时,老鼠心脏细胞会沿着模板上的图案按序收缩,带动整个躯体前进。而且,机器鳐鱼两侧会对不同的光波敏感,如果只用一种光波刺激,将只能让鳐鱼的一侧收缩,这样鳐鱼就能完成转向动作,避开障碍物。
由于鳐鱼游动时改变方向的方式与心脏跳动有相似之处,能有效防止倾斜或翻转,所以这项技术在未来会被用来制造人工心脏。
两条腿机器人.jpg
给机器加点肌肉

当我们看到现在的机器人时,往往会觉得它们的动作很笨拙,这是因为它们的控制系统仍然使用常规的电机驱动,由刚性材料来连接,如果机器人也有像人一样的身体组织,动作会不会更协调呢?
美国伊利诺大学仿照了人体的肌肉骨骼模型,发明了一个只有两条腿的机器。这个机器的腿、“腰部”都是由3D打印的水凝胶充当,非常坚固,同时柔韧性也非常好,而一个环形肌肉会环绕骨骼提供动力来源。跟机器鳐鱼一样,它的环形肌肉也是由实验室培育的细胞生长而成,能由电脉冲控制收缩产生动力。
未来这项技术,最终可能发展成一代生物机器人,用于药物递送、“智能”移植、制作手术机器人等。不过,也有可能这项技术会带来更糟糕的后果,比如像科幻小说中那样,出现肌肉、肌腱和皮肤跟人类一模一样,但骨骼、心脏等器官却是金属制造的冷血杀手——终结者(人型机械人)。
章鱼机器人.jpg
柔软的“八爪怪”

在大海中,章鱼是一个非常奇特的生物,它们有三个心脏,口部像鹦鹉喙一样,感知世界的触角不是只有一条,而是有八条,它们没有内骨骼,却有惊人的力量。
哈佛大学的科学家们受到章鱼启发,也发明了一种神奇的章鱼机器人——八爪怪。这次科学家们没用活体细胞,然而八爪怪身体柔韧性依然非常好,能钻进细缝中,能根据周围环境改变形状,能用触角安全操作水下易碎物体,是第一个能像无脊椎动物那样灵活的软体机器人。
之所以这么柔软,是因为这个机器人体内没有任何的电池或者电线,完全采用化学反应驱动。其身体内有一套微小的化学反应控制部件,能利用过氧化氢与铂反应,生成氧气和水蒸气。这些气体经排放孔进入八爪怪的腕足后,会驱动章鱼的腕足变形运动。
为了更灵活运动,八爪怪的八条腕足是由两个化学反应通路控制,通过微阀门控制,既能让八爪怪的两边腕足同时运动,也能让二者先后交替运动。下一步,研究者将会为它们安上开关、复杂的控制器和传感器,让它们更能适应环境,既能在水中游泳,也能在陆地爬行。可以肯定地是,由于软体机器人能承受挤压,未来在医学、航空、探测领域都会大展身手。

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