神經(jīng)肌肉驅(qū)動的生物混合機(jī)器人進(jìn)展

供稿人:陳天驕 劉璟璇
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　

近年來，研究者們獨(dú)辟蹊徑，將生命系統(tǒng)與機(jī)電系統(tǒng)相結(jié)合，研發(fā)用活體肌肉組織或細(xì)胞驅(qū)動的類生命機(jī)器人。類生命機(jī)器人具有生命系統(tǒng)的如高能量轉(zhuǎn)換效率和安全性等特點(diǎn)，也具有傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)高強(qiáng)度、高重復(fù)性等優(yōu)勢。

2019年P(guān)NAS上伊利諾伊大學(xué)香檳分校機(jī)械科學(xué)與工程系的課題組介紹了一個由神經(jīng)肌肉單元驅(qū)動的生物混合機(jī)器人。該機(jī)器人的身體由獨(dú)立的軟支架、骨骼肌組織和含有運(yùn)動神經(jīng)元的干細(xì)胞衍生神經(jīng)簇組成。運(yùn)動神經(jīng)元有選擇地向肌肉延伸軸突，并對其進(jìn)行神經(jīng)支配，形成功能性神經(jīng)肌肉單位，最后由神經(jīng)刺激引起的周期性肌肉收縮，驅(qū)動鞭毛產(chǎn)生一定的動力，從而為機(jī)器人前進(jìn)提供推力。

圖1 神經(jīng)肌肉驅(qū)動的生物混合機(jī)器人

研究人員首先設(shè)計了一個生物機(jī)械融合系統(tǒng)的軟組織支架，他們選用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為支架材料，上面附有重組的細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)用于包裹以肌肉和神經(jīng)元所組成的功能性神經(jīng)肌肉單位。為了促進(jìn)神經(jīng)肌肉單位的原位發(fā)育，研究者將來源于干細(xì)胞的神經(jīng)簇和肌細(xì)胞一起嵌入到ECM凝膠中用于形成肌肉組織和神經(jīng)肌肉接頭(NMJ)。

在獨(dú)立的軟組織支架上進(jìn)行原位神經(jīng)肌肉發(fā)育時，首先要構(gòu)建一個神經(jīng)肌肉執(zhí)行器，作為生物雜交設(shè)計的框架。因?yàn)镹MJ模型只在平坦的基板上或3D但永久錨定的支架上得到證實(shí)，所以研究者先設(shè)計了一個獨(dú)立的PDMS支架測試平臺，通過形狀設(shè)計來使肌細(xì)胞形成收縮性的肌管，通過定向分化光遺傳來形成對光敏感的運(yùn)動神經(jīng)元，并且神經(jīng)元的軸突生長明顯偏向于肌肉細(xì)胞。通過實(shí)驗(yàn)證明，在肌肉組織和神經(jīng)元之間形成了功能性的神經(jīng)肌肉接頭。

圖2 生物融合系統(tǒng)時間軸

接下來研究人員對該機(jī)器人的物理模型進(jìn)行了計算，并且選用了仿生鞭毛作為動力來源。在考慮流體和軟彈性結(jié)構(gòu)之間的非線性相互作用時，利用計算模型來對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真模擬，找出了不同組件參數(shù)的最佳取值并確定了雙尾的實(shí)驗(yàn)設(shè)計。

圖3 計算建模和設(shè)計

最后研究人員利用Z-stack圖像對機(jī)器人進(jìn)行實(shí)際測試，在高密度液體培養(yǎng)基中釋放機(jī)器人并用光刺激神經(jīng)元來驅(qū)動肌肉進(jìn)行可控運(yùn)動。多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明盡管速度緩慢，實(shí)驗(yàn)機(jī)器人依舊產(chǎn)生了穩(wěn)定運(yùn)動，實(shí)驗(yàn)還表明在于多次刺激后運(yùn)動時間和距離會縮短，這表明運(yùn)動能力能夠持續(xù)維持的持續(xù)時間可能受到神經(jīng)遞質(zhì)囊泡釋放和肌肉代謝動力學(xué)的限制。

該課題組實(shí)現(xiàn)了將神經(jīng)-肌肉控制系統(tǒng)整合到生物融合機(jī)器人中，并且成功演示了機(jī)器人的神經(jīng)肌肉驅(qū)動，這為開發(fā)模式化的生物機(jī)械融合開辟了新的道路。該類生命體機(jī)器人展示了一個多細(xì)胞工程生物系統(tǒng)，這個系統(tǒng)是通過自上而下的工程設(shè)計和自下而上的自我組織和發(fā)展的綜合而開發(fā)的。指導(dǎo)支架設(shè)計的一般原則和與過程中協(xié)同工作的組織培養(yǎng)技術(shù)的方法，在實(shí)現(xiàn)未來的生物雜交和生物融合系統(tǒng)方面被證明是有效的。而具有感覺-運(yùn)動能力的生物混合系統(tǒng)可以作為破譯具體化感知和行動機(jī)制的平臺，從而不僅可以在機(jī)器人制造，甚至生物工程和醫(yī)藥等領(lǐng)域帶來新的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：
Aydin Onur,Zhang Xiaotian,Nuethong Sittinon,Pagan-Diaz Gelson J,Bashir Rashid,Gazzola Mattia,Saif M Taher A. Neuromuscular actuation of biohybrid motile bots.[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2019,116(40).