朗讀細菌做「眼睛」、蟑螂當「跑腿」……總有一些特立獨行的機器人第細菌做「眼睛」、蟑螂當「跑腿」……總有一些特立獨行的機器人

《細菌做「眼睛」、蟑螂當「跑腿」……總有一些特立獨行的機器人》
我是科學家
從《弗蘭根斯坦》中用鐵釘鉚起血肉的人造人，到《攻殼機動隊》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」。
現實中，機器人領域的研究者們也在嘗試將生物與機器進行融合。他們既可以利用生物材料的某些特性，或者依照仿生學的思路師法自然，也可以直接改造、控制生命，為人類服務。
這類研究，統稱為「生物混合機器人」（Biohybrid Robot）。
機器人領域的研究者們正嘗試將生物與機器進行融合 | 《攻殼機動隊》劇照
「生物混合機器人」研究中最直接的形式，就是把來自生命的材料直接裝進機器。
當然，這種研究絕不是恐怖電影中常見的，眼球放進鋼鐵頭骨，或者手臂大腿拼到機械軀幹。現階段，研究者們主要是利用某些生命的一些特殊能力，比如能夠發光的細菌。
作為單細胞生物，發光細菌能將化學信號轉化為光信號，是生物實驗室中常見的研究素材之一。它們在很多方面都有著應用潛力，比如作為傳感器來使機器在小尺寸下，完成對特定化學物質的探測。
卡內基梅隆大學的研究者通過人工合成的發光細菌捕捉化學信號，再通過發光二極體激發這些細菌的螢光反應，使細菌發光。化學物質的濃度會影響光信號的強弱。隨後，這些光信號被光電探測器轉化為電信號，傳輸至處理晶片。
將這些發光細菌和配套裝置整合到柔性機器手中，就能極大擴展這些機器手的功能——如同為機器手安裝上了感受化學信號的「眼睛」。
發光細菌在機器手中起到了傳感器的功能 | 參考文獻/漢化：莔莔
細胞不僅可以作為傳感部件使用，也可以作為驅動部件。日式料理中經常出現一種叫做納豆的食物，這是由黃豆通過納豆菌發酵製成的豆製品。納豆菌細胞對於濕度十分敏感，遇濕膨脹，乾燥則收縮。正是這一種看似普通的特性，如若經過巧妙設計，就可以實現出神奇的功能。
麻省理工學院的研究人員設計了一套微米級解析度的生物列印系統，可以將納豆菌細胞列印成各種各樣的形狀。通過預先設計的巧妙結構，能讓這些納豆菌細胞構成的物件，成為對濕度變化進行反應的小小機器。比如，列印出的茶包標籤會在茶泡好時展開，列印出的乾花則可以將濕度變化以綻放的形態顯示出來。
納豆菌細胞列印出的茶包標籤與乾花 | 參考文獻
除了對生物直接進行利用，「師法自然」也是機器人研究者們的必修課。
1903年，萊特兄弟向鳥學習了飛翔。自飛機問世以來，人類已經設計出了各種各樣的飛行器。但是，無論是空中客車還是無人機，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自身形體進行靈活、動態的調節，以適應瞬息萬變的氣流環境。
通過對鴿子骨骼和羽翼的動力學研究，史丹福大學的學者發現了羽翼上不同羽毛之間的運動與協調規律。他們收集起40根真羽毛，模仿骨骼設計了連杆結構，通過4個微型電機對這些羽毛進行協調控制。這種「真羽毛+電機」的生物混合機翼，可以在氣流中迅速而穩定地變形，從而實現高效飛行。
也許未來的某一天，我們就會搭乘上煽動翅膀的機器大鳥，在空中翱翔。
不僅僅是飛行，機器人的協調運動一直都是研究難點。比如，怎樣讓機器如同人類手指一樣靈活，就是個巨大的挑戰。
東京大學的研究人員參考了骨骼肌，通過在機器人中加入肌肉組織，讓機器在微小尺寸下更加精確、穩定地運動。他們設計了一個帶有關節的機械手，利用對稱的骨骼肌進行驅動，使關節能夠進行大角度的旋轉。很多動物都能做出這種對抗性放鬆-收縮的肌肉動作——你在拾取或放下東西時，手指上發生的就是這類動作。通過這種設計，就能做出一個靈活的機器手指了。
利用骨骼肌完成機器的大角度動作 | 參考文獻
使用細胞或者肌肉作為一部分零件，亦或是從生物的進化中汲取靈感，這些技術思路固然巧妙，但能否更直接些，讓我們來操控一個生物！
北卡羅萊納州立大學的研究者將目光投向了一種和藹可親的小動物——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後方天敵的運動，藉此改變自己的行動路線——可以說，觸角和尾須，就是它們的天線和後視鏡。
研究人員將控制晶片、WiFi晶片等集成到了一個輕巧的電路板上，並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控。
於是，這樣一隻背著「小背包」的蟑螂，就能按照指令前進了。
如果實驗中使用了廣東的蟑螂，說不定能造出一個飛行機器人。
不過，簡單的控制已經無法滿足科研人員的野心，他們有些大膽的想法——從零開始創造「活」的機器人。
就在今年，美國國家科學院院刊報導了來自美國塔夫茨大學的研究成果：科學家們創造了一款活體機器人，名為「Xenobots」。
這款活體機器人完全由蟾蜍的細胞組成。準確來說，是兩種蟾蜍細胞：一種是表皮細胞，彈性較弱，作用類似於機器人中的骨架；另一種是心肌細胞，能夠進行伸縮，可以充當驅動部件。
（左）綠色方塊代表蟾蜍的表皮細胞，紅色方塊代表蟾蜍的心肌細胞。（右）兩種細胞組成計算機設計的構型以實現指定的功能 | Sam Kriegman
為了讓活體機器人可以按照人們指定的方式移動，研究團隊應用了遺傳算法。當想讓機器人完成某種動作（比如：沿直線移動）時，遺傳算法可以給出一套最優化的模型。按照這一優化模型，研究者使用顯微工具對蟾蜍細胞團進行加工，就得到可以做出「指定動作」的活體機器人。這些基於不同模型的細胞團尺寸在1毫米左右，可以完成移動、推動物體、自動癒合等功能。
Xenobots的一個模型（左）及其實物（右） | www.uvm.edu
這些看似平平無奇的細胞團，就是人類有史以來第一次「完全從頭開始設計的生物機器」。
生命與機器的界線
技術飛速進步，生物與機器相互交融，科幻電影中的場景似乎離我們也沒那麼遙遠。
無論是藉由生物改進機器性能，還是讓機器向生物學習運動方式，生物混合機器人的研究一直在暗示著這樣的道理：只有愈發理解生命，才能更好地創造機器。
然而，技術之外，更多問題浮出水面。
生物與機器間的界線逐漸模糊：Xenobots由100%的細胞構成，那麼，該稱其為「生物」還是「機器」？
或者，我們又該如何定義「生命」？
當人類試圖扮演造物主，接下來的故事如何發展，充滿未知與挑戰。
（不過，控制蟑螂那個，請你們抓緊研究！能不能把它們設置成繞開我家！）
作者名片
編輯：圓的方塊
排版：雷穎
題圖來源：《機械姬》劇照
參考文獻：
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Yao, Lining, et al. "BioLogic: natto cells as nanoactuators for shape changing interfaces." Proceedings of the 33rd Annual ACM Conference on Human Factors in Computing Systems. 2015.
Chang, Eric, et al. "Soft biohybrid morphing wings with feathers underactuated by wrist and finger motion." Science Robotics 5.38 (2020).
Morimoto, Yuya, Hiroaki Onoe, and Shoji Takeuchi. "Biohybrid robot powered by an antagonistic pair of skeletal muscle tissues." Science Robotics 3.18 (2018): eaat4440.
Latif, Tahmid, and Alper Bozkurt. "Line following terrestrial insect biobots." 2012 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE, 2012.
Kriegman, Sam, et al. "A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms." Proceedings of the National Academy of Sciences (2020).
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《細菌做「眼睛」、蟑螂當「跑腿」……總有一些特立獨行的機器人》完，請繼續朗讀精采文章。
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