神經(jīng)肌肉驅(qū)動的生物混合機器人進展

供稿人:陳天驕 劉璟璇
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

近年來，研究者們獨辟蹊徑，將生命系統(tǒng)與機電系統(tǒng)相結(jié)合，研發(fā)用活體肌肉組織或細胞驅(qū)動的類生命機器人。類生命機器人具有生命系統(tǒng)的如高能量轉(zhuǎn)換效率和安全性等特點，也具有傳統(tǒng)機電系統(tǒng)高強度、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)動的生物混合機器人。該機器人的身體由獨立的軟支架、骨骼肌組織和含有運動神經(jīng)元的干細胞衍生神經(jīng)簇組成。運動神經(jīng)元有選擇地向肌肉延伸軸突，并對其進行神經(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，從而為機器人前進提供推力。

圖1 神經(jīng)肌肉驅(qū)動的生物混合機器人

研究人員首先設(shè)計了一個生物機械融合系統(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。為了促進神經(jīng)肌肉單位的原位發(fā)育，研究者將來源于干細胞的神經(jīng)簇和肌細胞一起嵌入到ECM凝膠中用于形成肌肉組織和神經(jīng)肌肉接頭(NMJ)。

在獨立的軟組織支架上進行原位神經(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。因為NMJ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，所以研究者先設(shè)計了一個獨立的PDMS支架測試平臺，通過形狀設(shè)計來使肌細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動神經(jīng)元，并且神經(jīng)元的軸突生長明顯偏向于肌肉細胞。通過實驗證明，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器人的物理模型進行了計算，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驗數(shù)據(jù)進行仿真模擬，找出了不同組件參數(shù)的最佳取值并確定了雙尾的實驗設(shè)計。

圖3 計算建模和設(shè)計

最后研究人員利用Z-stack圖像對機器人進行實際測試，在高密度液體培養(yǎng)基中釋放機器人并用光刺激神經(jīng)元來驅(qū)動肌肉進行可控運動。多次實驗結(jié)果表明盡管速度緩慢，實驗機器人依舊產(chǎn)生了穩(wěn)定運動，實驗還表明在于多次刺激后運動時間和距離會縮短，這表明運動能力能夠持續(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。

該課題組實現(xiàn)了將神經(jīng)-肌肉控制系統(tǒng)整合到生物融合機器人中，并且成功演示了機器人的神經(jīng)肌肉驅(qū)動，這為開發(fā)模式化的生物機械融合開辟了新的道路。該類生命體機器人展示了一個多細胞工程生物系統(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制的平臺，從而不僅可以在機器人制造，甚至生物工程和醫(yī)藥等領(lǐng)域帶來新的進步。

參考文獻：
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).