《科學(xué)》封面文章，哈佛大學(xué)科學(xué)家制造出半機(jī)器半活體細(xì)胞魟魚。
半機(jī)器半活體細(xì)胞，這只人造刺魟能設(shè)法通過障礙區(qū)
Kevin Kit Parker 想要制造一顆人類心臟。他年幼的女兒很愛位于波士頓的新英格蘭水族館。最新一期的《科學(xué)》發(fā)表了一份研究報告，父女兩人的愛好以一種難以置信的方式結(jié)合起來，創(chuàng)造出了一個奇跡：一只硬幣大小的人造刺魟，研究人員用光引導(dǎo)它在水中暢游，動力來自小鼠的心肌肉細(xì)胞。
這條「活的（living）」機(jī)器人吸收了工程學(xué)、細(xì)胞文化學(xué)、遺傳學(xué)以及生物力學(xué)的先進(jìn)成果。華盛頓大學(xué)的整合生物學(xué)家（ integrative biologist）Adam Summers 說，「顯然，（它）是一項科技壯舉?！褂行┤苏J(rèn)為，通過將細(xì)胞和人造材料融入一種規(guī)律跳動的結(jié)構(gòu)（a pulsating structure）中，這種裝置讓 Parker 距離他的夢想——制作一顆人類的心臟，更進(jìn)一步。浙江大學(xué)的神經(jīng)工程師 Keidi Xu 說，「 我們可以想象有這么一天，使用這種技術(shù)再造人體各部分?！?/p>
Parker 是哈佛大學(xué)的應(yīng)用物理學(xué)家，五年前參觀水族館時被水母深深吸引，隨后，他開始嘗試機(jī)器人技術(shù)。水母富有節(jié)奏的抽吸活動讓他想起心跳的律動。Parker 的團(tuán)隊已經(jīng)能讓心肌肉細(xì)胞長成硅樹脂上的一層薄膜，如果將細(xì)胞吸收進(jìn)水母那樣的「泵」中，這些細(xì)胞還能繼續(xù)工作嗎？Parker 對此很好奇。
結(jié)果他造出了一條「水母似的」——簡單人造生物，它由覆蓋在一層硅樹膠上的心肌肉細(xì)胞組成，硅樹膠被塑成一個帶有皮瓣邊的淺杯體。鹽糖溶液維持著細(xì)胞生命，輕微的電震就能讓細(xì)胞收縮，改變硅樹膠杯體的形狀，這樣，「水母」就能噴出液體，推動自己穿行于槽液中。Parker 回憶說，「在我看來，這只是個訓(xùn)練練習(xí)，」「我正變得越來越善于搭建肌肉泵?！?/p>
后來新的嘗試靈感也源自一次水族館之行。當(dāng)女兒撫摸著一條人造刺魟時，它搖曳著身體的一邊，轉(zhuǎn)身離開。Parker 當(dāng)時就想，「 或許刺魟的轉(zhuǎn)向與心流（heart flow）方式存在相似之處?！挂虼耍麤Q定沿著生命之樹向上走，從水母來到魟魚（rays），他要增加人造生物的復(fù)雜性。
Parker 和女兒比較玻片上的魟魚機(jī)器人和鰩魚
再一次感謝他的女兒，他想出了一種簡單控制新機(jī)器人的辦法：光。當(dāng)女兒還在蹣跚學(xué)步時，Parker 用激光棒照射地面，讓女兒踩著地上的點，以此引導(dǎo)女兒走過人行橫道?；蛟S，他的團(tuán)隊可以采用類似的方式，利用人造光線來控制機(jī)器人行動：讓肌肉細(xì)胞以收縮的方式對光做出反應(yīng)。他們轉(zhuǎn)向光遺傳學(xué)，尋求解決之道，光遺傳學(xué)可將引發(fā)信號傳遞的光敏分子注入細(xì)胞。Parker 的團(tuán)隊沒有方法上的經(jīng)驗，不過，團(tuán)隊里有一位曾經(jīng)在阿富汗打過仗的中校，在哈佛工作之后，他開始從軍方、NIH以及其他機(jī)構(gòu)東拼西湊地籌集資金。Parker 還請一位新博士 Sung-Jin Park 監(jiān)管這項研究，并自信地預(yù)測這是一項會登上《科學(xué)》封面的研究。這位博士后回憶說，「我覺得這太瘋狂了...不可能實現(xiàn)。」
Parker 預(yù)言的實現(xiàn)，歷經(jīng)四年。他和其他人同事分解刺魟，開始研究如何安排肌肉；后來，另一個實驗室的同事開始分析肌肉如何在同步波動中驅(qū)動魚鰭，進(jìn)而推動魟魚前進(jìn)。為了模擬魟魚的基礎(chǔ)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，Parker 測試了許多軟體機(jī)器人配置（configuration)，最終決定采用這樣一種形式：在兩層硅樹膠之間安置一個多叉金色骨架。
每條富有生氣的魟魚大概需要20萬個來自2天大小的鼠胚胎細(xì)胞，然后將這些細(xì)胞放在硅樹膠頂部。硅樹膠攜帶一個由細(xì)胞外蛋白（extracellular protein），纖連蛋白（ fibronectin）組成的模板，它可以引導(dǎo)細(xì)胞長成一種輻射狀模式，類似真實鰩魚的肌肉狀態(tài)。加州大學(xué)的生物工程師 Andrew McCulloch （并未參與這項研究工作）說，為了讓心血管細(xì)胞能夠發(fā)揮骨骼肌的功能，這一結(jié)構(gòu)的正確性至關(guān)重要。
但是，Parker 的團(tuán)隊并沒有嚴(yán)格按照魟魚的肌肉結(jié)構(gòu)來。位于賓夕法尼亞的西徹斯特大學(xué)的生物力學(xué)家 Frank Fish 說，「他們抄了近道?！拐骠勽~的每個胸鰭中有兩組肌肉，反方向向下移動鰭，然后再向上移動鰭。這個 魟魚機(jī)器人只有一組肌肉，向下彎曲鰭；然后靠金色骨架的彈簧作用拉回鰭。
沾染了可以傳遞編碼了光遺傳分子開關(guān)的基因的病毒，當(dāng)藍(lán)光照射修改后的心血管細(xì)胞時，這些細(xì)胞就會收縮。但是，將這種影響翻譯成與之一致的行動，還是花費了幾個月的時間；光刺激鰭前方，然后讓機(jī)器人魟魚前行，這個簡單的動作就讓 Parker 試了200次。最終，他制作了100多個機(jī)器人，并展示了這些機(jī)器人可以通過水下障礙場。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)身， Park 用兩束光源引導(dǎo)魟魚 ，其中一束指向每個鰭。通過改變光的頻率來加速或減緩肌肉收縮率；通過讓一邊比另一邊更快地?fù)舸蛩?，實現(xiàn)向左或者向右轉(zhuǎn)彎。
魟魚的速度很慢，約為每小時9米——完全比不上真實魟魚。即便如此，普林斯頓的力學(xué)工程師 Alexander Smits 說，「通盤考慮，這非常了不起。」Fish 曾經(jīng)幫忙設(shè)計過更大的「魔鬼魚機(jī)器人（manta bots）」，這個魔鬼機(jī)器人的魚鰭由硅樹膠做成，電控棒和電線驅(qū)動鰭的拍打動作。他對這個魟魚機(jī)器人的評價是， 「就機(jī)器人技術(shù)而言，這是一次重要的飛躍?！顾a充說，「我們正靠近生物學(xué)與工程學(xué)彼此融合的關(guān)口?！?/p>
不過，前路漫漫。活體-肌肉（live-muscle）機(jī)器人在充滿營養(yǎng)的溶液中工作，而且溶液溫度與老鼠體溫差不多；讓這些機(jī)器人在更加天然的環(huán)境中行動是一項挑戰(zhàn)，F(xiàn)ish 表示。
而且尚不清楚的是，這一方法是否能產(chǎn)生具有實踐意義的機(jī)器人，或者 Parker 真正感興趣的生物人造心臟。位于馬里蘭州貝塞斯達(dá)的國家心、肺以及血液研究院的項目官員 Denis Buxton 說，這個機(jī)器人「并非真與心臟特別相關(guān)，」尤其是因為其心肌肉細(xì)胞 的「運用方式相當(dāng)不自然?！?/p>
不過，對 Parker 及其他人來說，「不自然的方式」是有益的?！感呐K是一種中空肌肉，」瑞士蘇黎世大學(xué)再生醫(yī)學(xué)中心的心血管外科醫(yī)生 Simon Hoerstrup 解釋道，「在這條魟魚機(jī)器人中看到的許多特征，都可以在心臟中找到?！?/p>
Parker 既將這條迷你魟魚機(jī)器人視為一件藝術(shù)作品，也視為一項技術(shù)。「每個人都能從中窺見不同的東西，」他說「我看著它，試圖了解心臟——而且它也讓我七歲的女兒印象深刻。」
本文選自：科學(xué)雜志，作者：Elizabeth Pennisi；機(jī)器之心編譯
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