供稿人：梁拓，高琳 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2021-11-07
2021年6月，多倫多大學(xué)機械與工業(yè)工程系的研究團隊在Science Robotics期刊上發(fā)表一篇研究生物混合機器人的文章。文章中提出了一種提出了一種改造秀麗隱桿線蟲線蟲的遺傳和神經(jīng)系統(tǒng)的方法，并創(chuàng)建了一個不受限制的、高度可控的活體軟微型機器人（稱為“RoboWorm”）?；畹娜湎x通過光遺傳學(xué)和生化方法進行改造，以關(guān)閉其神經(jīng)元和肌肉系統(tǒng)之間的信號傳輸，同時其肌肉細(xì)胞仍保持光學(xué)興奮。這種經(jīng)過工程改造的 RoboWorm 展示了以光遺傳學(xué)方法自動控制再現(xiàn)天然蠕蟲運動行為的能力。此外，所提出的基于視覺的閉環(huán)控制方案使具有空間感的 RoboWorm 能夠穿越障礙物以到達預(yù)定目的地。通過這項技術(shù)，研究者將癱瘓的蠕蟲變成了一個活的、可控的、爬行方向和目的地可控的軟體微型機器人。得益于其微米級的尺寸和柔軟的身體，RoboWorm 最終可以發(fā)展成為微型活體動物代替者，以執(zhí)行各種顯微操作任務(wù)，例如移動微型物體、微環(huán)境導(dǎo)航和游泳。還可以制造一種蠕蟲狀的人造微型機器人，其身體具有類似肌肉的光驅(qū)動致動器，這可以實現(xiàn)線蟲在不同圖案的光刺激下不同爬行模式。
圖1 激光束激發(fā)下蠕蟲彎曲響應(yīng)
圖2 蠕蟲向前和向后爬行期間的相位差（強度越高表示肌肉活動越強）
從機器人的角度來看，生物和工程系統(tǒng)在完成常見的運動任務(wù)方面具有相似的功能，這導(dǎo)致將工程思維注入生物體的可能性。這種集成方法填補了生物感覺運動系統(tǒng)和工程運動控制之間的空白，并轉(zhuǎn)化了活的線蟲成微米大小的可控 RoboWorm。它提供了一種通過光遺傳學(xué)肌肉激發(fā)直接從活的多細(xì)胞微生物開發(fā)生物混合機器人的實驗方法。這項工作中報道的蛇形運動機制和時空光學(xué)驅(qū)動方法也可以很容易地應(yīng)用于設(shè)計以光敏材料作為執(zhí)行器的蠕蟲狀人工微型機器人。此外，除了在微型機器人方面的前景之外，該 RoboWorm 系統(tǒng)還可用作進一步研究蠕蟲蛇形運動的生物物理學(xué)和神經(jīng)基礎(chǔ)的平臺，從而可作為對秀麗隱桿線蟲和其他線蟲進行基礎(chǔ)研究的有效工具。
除了在機器人技術(shù)方面的巨大潛力外，這項技術(shù)還可以實現(xiàn)對秀麗隱桿線蟲和其他線蟲物種的基礎(chǔ)研究。例如，為了研究對感覺-運動整合至關(guān)重要的本體感受反饋，可以操縱蠕蟲身體上的特定肌肉群以適應(yīng)任何類型的自然姿勢，并同時記錄運動神經(jīng)元和前運動中間神經(jīng)元的鈣動態(tài)。