《科学》封面：哈佛大学科学家制造出半机器半活体细胞魟鱼
2016/7/10 哲学园

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     选自 Sciencemag

     作者：Elizabeth Pennisi

     机器之心编译

     参与：微胖

    

     半机器半活体细胞，这只人造刺魟能设法通过障碍区

     Kevin Kit Parker 想要制造一颗人类心脏。他年幼的女儿很爱位于波士顿的新英格兰水族馆。最新一期的《科学》发表了一份研究报告，父女两人的爱好以一种难以置信的方式结合起来，创造出了一个奇迹：一只硬币大小的人造刺魟，研究人员用光引导它在水中畅游，动力来自小鼠的心肌肉细胞。

     这条「活的(living)」机器人吸收了工程学、细胞文化学、遗传学以及生物力学的先进成果。华盛顿大学的整合生物学家( integrative biologist)Adam Summers 说，「显然，(它)是一项科技壮举。」有些人认为，通过将细胞和人造材料融入一种规律跳动的结构(a pulsating structure)中，这种装置让 Parker 距离他的梦想——制作一颗人类的心脏，更进一步。浙江大学的神经工程师 Keidi Xu 说，「 我们可以想象有这么一天，使用这种技术再造人体各部分。」

     Parker 是哈佛大学的应用物理学家，五年前参观水族馆时被水母深深吸引，随后，他开始尝试机器人技术。水母富有节奏的抽吸活动让他想起心跳的律动。Parker 的团队已经能让心肌肉细胞长成硅树脂上的一层薄膜，如果将细胞吸收进水母那样的「泵」中，这些细胞还能继续工作吗？Parker 对此很好奇。

     结果他造出了一条「水母似的」——简单人造生物，它由覆盖在一层硅树胶上的心肌肉细胞组成，硅树胶被塑成一个带有皮瓣边的浅杯体。盐糖溶液维持着细胞生命，轻微的电震就能让细胞收缩，改变硅树胶杯体的形状，这样，「水母」就能喷出液体，推动自己穿行于槽液中。Parker 回忆说，「在我看来，这只是个训练练习，」「我正变得越来越善于搭建肌肉泵。」

     后来新的尝试灵感也源自一次水族馆之行。当女儿抚摸着一条人造刺魟时，它摇曳着身体的一边，转身离开。Parker 当时就想，「 或许刺魟的转向与心流(heart flow)方式存在相似之处。」因此，他决定沿着生命之树向上走，从水母来到魟鱼(rays)，他要增加人造生物的复杂性。

    

     Parker 和女儿比较玻片上的魟鱼机器人和鳐鱼

     再一次感谢他的女儿，他想出了一种简单控制新机器人的办法：光。当女儿还在蹒跚学步时，Parker 用激光棒照射地面，让女儿踩着地上的点，以此引导女儿走过人行横道。或许，他的团队可以采用类似的方式，利用人造光线来控制机器人行动：让肌肉细胞以收缩的方式对光做出反应。他们转向光遗传学，寻求解决之道，光遗传学可将引发信号传递的光敏分子注入细胞。Parker 的团队没有方法上的经验，不过，团队里有一位曾经在阿富汗打过仗的中校，在哈佛工作之后，他开始从军方、NIH以及其他机构东拼西凑地筹集资金。Parker 还请一位新博士 Sung-Jin Park 监管这项研究，并自信地预测这是一项会登上《科学》封面的研究。这位博士后回忆说，「我觉得这太疯狂了...不可能实现。」

     Parker 预言的实现，历经四年。他和其他人同事分解刺魟，开始研究如何安排肌肉；后来，另一个实验室的同事开始分析肌肉如何在同步波动中驱动鱼鳍，进而推动魟鱼前进。为了模拟魟鱼的基础解剖学结构，Parker 测试了许多软体机器人配置(configuration)，最终决定采用这样一种形式：在两层硅树胶之间安置一个多叉金色骨架。

    

     每条富有生气的魟鱼大概需要20万个来自2天大小的鼠胚胎细胞，然后将这些细胞放在硅树胶顶部。硅树胶携带一个由细胞外蛋白(extracellular protein)，纤连蛋白( fibronectin)组成的模板，它可以引导细胞长成一种辐射状模式，类似真实鳐鱼的肌肉状态。加州大学的生物工程师 Andrew McCulloch (并未参与这项研究工作)说，为了让心血管细胞能够发挥骨骼肌的功能，这一结构的正确性至关重要。

     但是，Parker 的团队并没有严格按照魟鱼的肌肉结构来。位于宾夕法尼亚的西彻斯特大学的生物力学家 Frank Fish 说，「他们抄了近道。」真魟鱼的每个胸鳍中有两组肌肉，反方向向下移动鳍，然后再向上移动鳍。这个 魟鱼机器人只有一组肌肉，向下弯曲鳍；然后靠金色骨架的弹簧作用拉回鳍。

     沾染了可以传递编码了光遗传分子开关的基因的病毒，当蓝光照射修改后的心血管细胞时，这些细胞就会收缩。但是，将这种影响翻译成与之一致的行动，还是花费了几个月的时间；光刺激鳍前方，然后让机器人魟鱼前行，这个简单的动作就让 Parker 试了200次。最终，他制作了100多个机器人，并展示了这些机器人可以通过水下障碍场。为了实现转身， Park 用两束光源引导魟鱼 ，其中一束指向每个鳍。通过改变光的频率来加速或减缓肌肉收缩率；通过让一边比另一边更快地击打水面，实现向左或者向右转弯。

     魟鱼的速度很慢，约为每小时9米——完全比不上真实魟鱼。即便如此，普林斯顿的力学工程师 Alexander Smits 说，「通盘考虑，这非常了不起。」Fish 曾经帮忙设计过更大的「魔鬼鱼机器人(manta bots)」，这个魔鬼机器人的鱼鳍由硅树胶做成，电控棒和电线驱动鳍的拍打动作。他对这个魟鱼机器人的评价是， 「就机器人技术而言，这是一次重要的飞跃。」他补充说，「我们正靠近生物学与工程学彼此融合的关口。」

    

     不过，前路漫漫。活体-肌肉(live-muscle)机器人在充满营养的溶液中工作，而且溶液温度与老鼠体温差不多；让这些机器人在更加天然的环境中行动是一项挑战，Fish 表示。

     而且尚不清楚的是，这一方法是否能产生具有实践意义的机器人，或者 Parker 真正感兴趣的生物人造心脏。位于马里兰州贝塞斯达的国家心、肺以及血液研究院的项目官员 Denis Buxton 说，这个机器人「并非真与心脏特别相关，」尤其是因为其心肌肉细胞 的「运用方式相当不自然。」

     不过，对 Parker 及其他人来说，「不自然的方式」是有益的。「心脏是一种中空肌肉，」瑞士苏黎世大学再生医学中心的心血管外科医生 Simon Hoerstrup 解释道，「在这条魟鱼机器人中看到的许多特征，都可以在心脏中找到。」

     Parker 既将这条迷你魟鱼机器人视为一件艺术作品，也视为一项技术。「每个人都能从中窥见不同的东西，」他说「我看着它，试图了解心脏——而且它也让我七岁的女儿印象深刻。」

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