導語

說到機器人，我們頭腦中的畫面大概是以金屬塑料為材料，模仿人類或其他生物的行為。隨著生物科學的進步，生物的細胞和組織也被用來當作機器人設計材料，將生物材料融合進機器人，也就是生物混合機器人（biohybrid robots）。生物混合機器人可以在多尺度下作為可控的機器進行工作，小到亞細胞級，大到生物體級別。可是這種混合機器人面臨一個嚴重的考驗：如何讓融合的生物材料穩定生長、持久耐受？這要求對於生物材料的供能必不可少，其中微流控技術就可以在未來改善組織灌注，組織生長，實現傳感、處理的精確控制模式。這篇今年8月發表於 PNAS 的文章為我們詳細解讀了微流控技術為生物混合機器人領域帶來的各種可能突破

研究領域：生物混合機器人，微流控技術

論文題目：

Will microfluidics enable functionally integrated biohybrid robots?

論文來源：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2200741119

1. 生物混合機器人和微流控技術

曾幾何時，機器和人的結合只出現在科幻小說和電影中，而如今，從心臟起搏器到機器義肢再到腦機接口，人機互動早已不是新鮮事。可是反過來呢？在機器人身上配備人體組織或細胞，讓機器人更加接近人類，那會是怎樣的場景？

一般意義上的機器人我們稱之為 Cyborg，也就是《異形》系列中的生化人，它們是完全冰冷的機械個體；而與生物結構相結合，則稱之為 Biohybrid，也就是這裡所提到的生物混合機器人（biohybrid robots），它們具有更多的生命性。現如今，科學家們通過不懈努力，在微觀到宏觀層面上，將機器人與細胞結合，創造出能夠進行各種工作的生物混合機器人。

對於生物混合機器人來說，生物組織需要生存，組織液體的灌注是必須的，所以對於生物混合機器人領域，核心技術之一就是如何精細控制灌注生物組織的液體——即微流控技術（microfluidics）。

亞細胞生物混合系統是由動態分子的相互作用和酶的催化活性驅動的。微型機器人可以從單個活動細胞（例如，細菌，藻類，原生動物，精子細胞）中獲得。可收縮細胞能在體外組裝，形成由功能性肌肉組織組成的毫微米尺度下的驅動器。組織可以從動物身上移植，並集成到機器中，以實現各種功能（例如，驅動或聽覺感知）。最後，多細胞生物既可以用來指揮機器，也可以被集成的人工裝置控制。

微流控技術是流體力學和微機電系統技術的結合，對基礎細胞生物學、生物分子分析等多個研究領域做出了巨大貢獻。微流控技術可以通過使用微氣動系統（如液體泵、氣體驅動閥）和微流體結構，分別引導（晶片）片外和片上流體（從納米到毫米體積的流體）。通過理解和控制微觀系統中的流體行為，我們可以在保留或改進某些原始特徵的同時，減少複雜宏觀系統的規模。這種微型化的潛力已經引起了其他研究領域（如機器人和組織工程）科學家的注意。所以微流控在幫助精細控制灌注生物混合機器人的生物組織的液體方面，有著令人十分憧憬的發展前景。

這篇文章則描述了如何將活組織與微流控裝置結合，以及從這種結合中獲得的好處，特別是在組織製造、發展和功能控制方面。文章同時強調微流控技術在支持大組織灌注和血管化方面的影響力，以及對生物混合機器人的功能集成組織的影響。

科學家們對生物混合機器人越來越好奇，努力解鎖細胞的潛力，以實現更高性能的機器。活細胞在傳感、控制和電源供應方面已經顯示出實用價值，特別是機器人的驅動方面。在以下段落中，作者簡要回顧了使用細胞驅動和其他功能的歷史裡程碑，同時描述了最有希望的改進方向。

2. 由細胞實現的生物混合機器人

2.1 細胞用作驅動力

2005年，研究者將單個心肌細胞發育成肌束後與矽制微機械結構進行集成，用作力傳導和運動系統。從那時起，便有了各種基於收縮肌細胞的生物驅動器，來執行各種運動功能。採用功能性的3D構象技術，可以進行較為複雜的運動任務，例如抓、走、游泳，均具有較高的空間和時間控制能力[2,3]。

基於收縮肌細胞的生物驅動器具有很多獨特的特性，比如，無聲操作、柔軟的手感、生物可降解、自愈能力，以及採用能量密集、廉價和環保的葡萄糖作為燃料[2,3]。單個骨骼肌管和心肌細胞產生的收縮力分別為約 1 μN 和 10 μN，同時它們可以在微米尺度下產生可檢測的力，相對於現有最小的傳統驅動器（壓電驅動器）只能在 >1 mm 的尺度下有效縮放[2,3]。所以這種生物驅動器在兩種尺度下都具有獨特的潛力：一方面，基於收縮肌細胞的微觀生物驅動器可以在小型生物醫學機器人中應用；另一方面，宏觀的生物驅動器將使機器人具有栩栩如生的動作、自我修復和柔軟的手感，以便與人類和其他物種進行親密接觸和互動。

過去十年，體外製造生物驅動器方面取得了相當大的進展，但是目前基於工程肌肉組織的生物驅動器的性能還是遠不如原生肌肉以及其它任何可用的驅動技術。合成驅動器的體積從 0.1cm3~0.1m3 不等，產生的力大約在 102 ~105 N 之間，這比目前的生物驅動器的力高出了多個數量級（大約在 10-6~10-3N 之間）。此外，長期保持較低的質量功率比有望提高生物驅動器的長期性能，但是工程肌肉組織仍然存在較差的中期和長期功能表現，這是由於細胞活力的衰減和結構體的體外穩定性變差。

針對上述存在的問題，作者認為可以考慮改進以下幾個方面：一、肌肉組織的體外製造需要更加高效、仿生、可控。在這種情況下，肌肉細胞的基因工程可能可以通過調節細胞骨架和收縮相關蛋白的表達來增強其收縮力（如肌動蛋白、肌凝蛋白、肌鈣蛋白），以及肌源性分化和肌肉組織發育的調節因子。二、最大限度地將力從收縮單元傳遞到骨架的界面來減少合成骨架結構和肌肉組織之間的有限相干性導致的力的分散。三、為了擴大其操作的多功能性，生物驅動器需要能夠支持細胞在「實驗室外」長期存活。四、基於多尺度和多物理模擬的先進建模可以幫助快速優化生物驅動器的性能。

2.2 細胞用作傳感、控制和電池

細胞可以感知和處理外部刺激，也可以有效地從環境中的營養物質中提取化學能，並將其轉化為機械能。細菌、多細胞生物的特化細胞可以用來實現機器人的傳感、控制和供電功能[32-35]。

關於化學生物傳感器，感知機械刺激的生物混合技術也已經成功製造出了專門用於觸覺或者聽覺感知的細胞 [16,36]。某些細胞或者有機體的光學反應則為生物視覺和機器人控制開闢了前景。在千禧年初，由活細胞和工程材料組成的視網膜假體開始了恢復視力的研究 [40-42]。光遺傳基因組修飾使細胞具有光敏性，這種後天的、非自然的能力可被利用來控制細胞的固有功能（例如，神經元和肌肉細胞的電化學信號或物理收縮）[37,43]。十多年前，人類和其他物種的神經元已經被培養在人造晶片上，以驅動機器人運動或執行其他任務功能，而最近，關於機器人生物控制的研究集中在使用神經元調節肌肉驅動器的收縮 [47-49]。

細胞的另一個應用涉及生物電的產生。將自發跳動的心肌細胞與通過壓電效應產生電壓的材料連接，可以產生電能，並用於為微電子設備供電 [50,51]。另外，基於全細胞的光合生物混合系統可以調節可持續的太陽能到化學能的轉化（例如，光促進二氧化碳減少和生物氫生產），可以用於能源生產和存儲 [52,53]。

3. 微流控技術：機器人和組織工程之間的橋樑

3.1 用於機器人的微流體

微流體可以和機器人等動力系統進行有效的協同工作。在軟體機器人中，驅動常常是由流體壓力驅動的，同時由於軟體機器人中的材料變形通常是由於流體壓力引起，所以微流控技術有助於實現對主動驅動精細控制。關於機器人技術和微流控之間的界面的出版物很少。這種研究的稀缺是由於軟機器人是大約10年前出現的一門年輕學科，而微流體學則在過去20年裡不斷發展[56-59]。

3.2 用於組織工程的微流體

在許多含有細胞的工程應用中都離不開微流體的應用。所以微流控技術在細胞過程（如生長、老化）以及微環境研究中非常有用。近年來，微流控技術和組織過程技術日益融合，這項技術能夠讓我們在微米到毫米大小的通道中進行微流體的灌注和流動。

微流體是許多含有細胞的應用的基礎。特別是，微流控技術在細胞過程（如生長、老化）、特性（如粘附、束縛）和微環境的研究中非常有用[60-63]。近年來，微流體技術與組織工程技術日益融合。微流體允許我們在微米到毫米大小的通道中進行流體灌注和流動；在一個系統中培養多種細胞類型；優化生化梯度；並通過機械力刺激細胞[64,65]。未來，微流體將進一步促進組織工程，使科學家能夠複製和控制細胞微環境中的條件，並利用於新興的類器官領域。最後，微流控技術可以讓我們培養大型組織結構，包括構建模仿自然組織血管化的可灌注通道系統。微流控技術可以通過在通道內精細施加流體流動來精確地分布流體壓力。可以設想，在大體積組織中掌握流體微動力學將確保對細胞存活的精細控制，從而實現體外長期的生命活力[66-69]。

3.3 微流控技術應用在生物混合機器人中的潛力

圖2中，作者向我們展示了微流控技術在生物混合機器人中的應用潛力——組織工程和機器人的結合。雖然目前大多數生物混合機器人的研究都集中在生物驅動方面，但對其它生物功能的興趣在不斷增加，最近關於環境感知和運動控制的文章 [16,18,19,47] 證明了這一點。

微流體平台在細胞培養方面的敏感性能夠促進特定類型的細胞（如神經細胞）和肌肉組織進行融合，從而賦予生物驅動相關功能（如運動控制）。流控技術還能使我們安全地操作脆弱的組織單元，在大規模生產過程中從形態上控制它們的形成。

在微流控晶片中可以將細胞和其它控制項連接起來。例如，通過晶片，細胞可以在機器人中實現例如水污染檢測等實際應用。在這種配置中，細胞可以暴露在環境液體中，然後進行分析。細胞活力與已知或未知污染物的存在相關聯，然後通過轉導信號（通常是阻抗或基於色譜的響應），這樣就允許研究人員評估水樣的質量[72]。

在最近的研究中，蝗蟲的鼓室器官被用作聽覺傳感器來控制機器人的運動，提取的組織包括完整的聽神經，它能夠記錄由聲音觸發的神經活動[16]。這種聲學生物傳感器由機器人中的微流控晶片實現，該晶片配有電極，將聽神經的電生理反應傳遞給機器人，微流控晶片提供了一個腔室來保持生物傳感器的活性並執行電生理記錄，證明了機器人內部複雜組織的可集成性。不久，基於細胞對機械波和負載的理解，微流控可能會解鎖聽覺和觸覺感知的技術實現。重要的是，下一代微流體生物傳感器可以不用再直接使用從動物身上提取的預製組織，而是使用細胞聚集體或是通過自下而上的組織工程構建的組織。通過這種方式，感覺細胞可以根據預先設計的圖案，更好地與微晶片的組件相結合。因此，通過微流控晶片和生物製造技術，微流控技術將提高收縮組織的性能，並使生物混合機器人的新形式和應用成為可能。

生物混合機器人的一個未來期望是擴大生物組件，以實現具有高能量轉換效率的大規模機器人。基於微流控的微生物生理學可能使大型、耐用和自主的生物機器成為可能。在這種情況下，微流控能提供足夠的組織灌注，以有效地分配氧氣和營養到大尺寸組織的細胞中。此外，也可以開發可攜式微流控系統，它能夠讓細胞在移動機器人中生存。微流控技術將如何以及在多大程度上改進生物混合機器人還有待觀察，它可能先從改進細胞組裝開始，然後再涉及到更複雜的機器人生物模塊的實現。

微流控生物混合機器人將結合不同類型的細胞，如肌肉和神經細胞。精細的神經支配網絡將使在多個陣列中選擇性控制特定的生物驅動器成為可能。微流控技術可以調節細胞微環境條件和微製造細胞載生物材料。這些應用將孕育越來越多用途和性能的生物混合機器人。最後，微流體組織灌注和生物反應器系統將產生更大的生物混合體，並具有持久和自主的功能。

4. 挑戰和未來展望

生物混合機器人技術還處於起步階段，還有很多領域有待探索，還有很多挑戰有待解決。要將生物混合體轉化為能夠在現實環境中運行的平台，就必須解決細胞壽命、組織製造和機器人功能方面的幾個挑戰。

其中一個主要問題是，生命材料需要精確的環境條件才能生存，特別是，細胞環境應該能夠有效地進行生化和氣體交換。精確控制流體行為將有可能在不同水平上推進生物混合機器人技術。精確的微流體調節將促進生物混合系統的構建和發展。微流控將允許我們生成可組裝的基礎模塊，作為更複雜和仿生生物的基礎。

其次，微流控平台將使我們能夠刺激細胞，以增強生物驅動器的組織生長。微流控技術更重要的功能是能夠進行有效的組織灌注。高效的灌注將為宏觀組織構建鋪平道路，這不僅會給生物混合機器人帶來革命，而且會對整個組織工程領域產生巨大的影響。

梁棟棟 | 作者

梁金 | 審校

鄧一雪 | 編輯

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