日前，來自伊利諾伊大學(xué)香檳分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）的科學(xué)家們研發(fā)出了一種由活肌肉細(xì)胞和3D打印框架組成的微型生物機(jī)器人（bio-bots），這種生物機(jī)器人的特殊之處在于它能夠看到（或者說感應(yīng)到光）--并能夠朝著光閃耀的地方運(yùn)動(dòng)。
這項(xiàng)研究實(shí)際上是集成細(xì)胞系統(tǒng)的應(yīng)急行為（EBICS，Emergent Behaviors of Integrated Cellular Systems）項(xiàng)目的一部分，該項(xiàng)目由美國國家科學(xué)基金（NSF）資助。在2015年秋季，EBICS項(xiàng)目就接受了NSF總額高達(dá)2500萬美元，為其5年的研究資助，使得Bashir和他的同事們可以繼續(xù)開發(fā)生物機(jī)器人技術(shù)在診斷、醫(yī)學(xué)、遙感等領(lǐng)域的各種應(yīng)用。
按照科學(xué)家們的話說，就是當(dāng)對光刺激做出反應(yīng)產(chǎn)生至多0.56千帕力量的光控環(huán)形肌肉執(zhí)行器被納入到一個(gè)3D打印的生物機(jī)器骨骼的框架中的時(shí)候，它可以驅(qū)動(dòng)后者方向性運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向，這為未來開發(fā)能實(shí)時(shí)對環(huán)境信號(hào)做出響應(yīng)的動(dòng)態(tài)生物機(jī)器提供了一個(gè)樣板。
這項(xiàng)研究由伊利諾伊大學(xué)生物工程的負(fù)責(zé)人Rashid Bashir領(lǐng)導(dǎo)，該研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在了近期出版的《Proceedings of the National Academy of Sciences》上。
“光是以一種非侵入性的方式來控制這些機(jī)器的。”Bashir說：“這給了我們的設(shè)計(jì)和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)帶來了靈活性。我們所要完成最低目標(biāo)是生物系統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)，我們認(rèn)為光控制是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要一步。”
在此之前，Bashir的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明了可以通過電場來激活生物機(jī)器人，但是Bashir說電會(huì)對生物環(huán)境造成不良的副作用，而且無法通過對肌肉的不同區(qū)域進(jìn)行選擇性刺激來控制機(jī)器人。而這種新的光刺激技術(shù)造成的傷害更小，而且研究人員可以控制生物機(jī)器人向不同的方向運(yùn)動(dòng)。這種生物機(jī)器人會(huì)轉(zhuǎn)身朝向光刺激的方向走，Bashir說。
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研究人員首先在小鼠肌肉細(xì)胞系的基礎(chǔ)上生長出肌肉環(huán)，這種肌肉細(xì)胞被加入了一種基因，導(dǎo)致一定波長的藍(lán)色光能夠刺激肌肉收縮，這是一種被稱為光遺傳學(xué)的技術(shù)。這種肌肉環(huán)被繞在了3D打印而成的柔性框架上，這些架子的長度從7毫米到2厘米不等。
“這些骨骼肌環(huán)被我們的工程師們制作成了環(huán)形或者類似橡皮筋的形狀，因?yàn)槲覀兿Ｍ鼈兪悄K化的。”該論文的第一作者、研究生Ritu Raman說。“這意味著我們可以把它們作為構(gòu)建模塊，并結(jié)合3D打印骨架制作成可用于各種應(yīng)用的生物機(jī)器人。”
此外除了模塊化設(shè)計(jì)之外，薄薄的肌肉環(huán)也使得光線和養(yǎng)分很容易擴(kuò)散到組織的各個(gè)方面。這與早期生物機(jī)器人的設(shè)計(jì)是相反的，那個(gè)時(shí)候往往會(huì)使用厚條狀的肌肉組織來圍繞著骨骼生長。
研究人員們嘗試了各種尺寸和形狀骨架來找到最適宜運(yùn)動(dòng)的配置。此外，他們還每天鍛煉肌肉環(huán)，即使用閃光燈來觸發(fā)肌肉，使它們更強(qiáng)壯，這樣它們的每次收縮會(huì)使機(jī)器人移動(dòng)得更遠(yuǎn)。
“這是一個(gè)非常靈活的設(shè)計(jì)。”Bashir說：“使用這些（肌肉）環(huán)，我們可以連接3D打印骨架上的任何兩個(gè)關(guān)節(jié)或者鉸鏈。我們可以有多個(gè)腿和多個(gè)環(huán)。使用光，我們可以控制它們移動(dòng)的方向。人們現(xiàn)在可以用它打造更加高階的機(jī)器人系統(tǒng)。”
這項(xiàng)研究實(shí)際上是集成細(xì)胞系統(tǒng)的應(yīng)急行為（EBICS，Emergent Behaviors of Integrated Cellular Systems）項(xiàng)目的一部分，該項(xiàng)目由美國國家科學(xué)基金（NSF）資助。在2015年秋季，EBICS項(xiàng)目就接受了NSF總額高達(dá)2500萬美元，為其5年的研究資助，使得Bashir和他的同事們可以繼續(xù)開發(fā)生物機(jī)器人技術(shù)在診斷、醫(yī)學(xué)、遙感等領(lǐng)域的各種應(yīng)用。
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