用细胞制造的生物混合机器人

导语

说到机器人，我们头脑中的画面大概是以金属塑料为材料，模仿人类或其他生物的行为。随着生物科学的进步，生物的细胞和组织也被用来当作机器人设计材料，将生物材料融合进机器人，也就是生物混合机器人（biohybrid robots）。生物混合机器人可以在多尺度下作为可控的机器进行工作，小到亚细胞级，大到生物体级别。可是这种混合机器人面临一个严重的考验：如何让融合的生物材料稳定生长、持久耐受？这要求对于生物材料的供能必不可少，其中微流控技术就可以在未来改善组织灌注，组织生长，实现传感、处理的精确控制模式。这篇今年8月发表于 PNAS 的文章为我们详细解读了微流控技术为生物混合机器人领域带来的各种可能突破

研究领域：生物混合机器人，微流控技术

梁栋栋 | 作者

梁金 | 审校

邓一雪 | 编辑

论文题目：

Will microfluidics enable functionally integrated biohybrid robots?

论文来源：

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

1. 生物混合机器人和微流控技术

曾几何时，机器和人的结合只出现在科幻小说和电影中，而如今，从心脏起搏器到机器义肢再到脑机接口，人机交互早已不是新鲜事。可是反过来呢？在机器人身上配备人体组织或细胞，让机器人更加接近人类，那会是怎样的场景？

一般意义上的机器人我们称之为 Cyborg，也就是《异形》系列中的生化人，它们是完全冰冷的机械个体；而与生物结构相结合，则称之为 Biohybrid，也就是这里所提到的生物混合机器人（biohybrid robots），它们具有更多的生命性。现如今，科学家们通过不懈努力，在微观到宏观层面上，将机器人与细胞结合，创造出能够进行各种工作的生物混合机器人。

对于生物混合机器人来说，生物组织需要生存，组织液体的灌注是必须的，所以对于生物混合机器人领域，核心技术之一就是如何精细控制灌注生物组织的液体——即微流控技术（microfluidics）。

图1：各个尺度下的生物混合系统。亚细胞生物混合系统是由动态分子的相互作用和酶的催化活性驱动的。微型机器人可以从单个活动细胞（例如，细菌，藻类，原生动物，精子细胞）中获得。可收缩细胞能在体外组装，形成由功能性肌肉组织组成的毫微米尺度下的驱动器。组织可以从动物身上移植，并集成到机器中，以实现各种功能（例如，驱动或听觉感知）。最后，多细胞生物既可以用来指挥机器，也可以被集成的人工装置控制。

微流控技术是流体力学和微机电系统技术的结合，对基础细胞生物学、生物分子分析等多个研究领域做出了巨大贡献。微流控技术可以通过使用微气动系统（如液体泵、气体驱动阀）和微流体结构，分别引导（芯片）片外和片上流体（从纳米到毫米体积的流体）。通过理解和控制微观系统中的流体行为，我们可以在保留或改进某些原始特征的同时，减少复杂宏观系统的规模。这种微型化的潜力已经引起了其他研究领域（如机器人和组织工程）科学家的注意。所以微流控在帮助精细控制灌注生物混合机器人的生物组织的液体方面，有着令人十分憧憬的发展前景。

这篇文章则描述了如何将活组织与微流控装置结合，以及从这种结合中获得的好处，特别是在组织制造、发展和功能控制方面。文章同时强调微流控技术在支持大组织灌注和血管化方面的影响力，以及对生物混合机器人的功能集成组织的影响。