超微型机器人修复人体组织

想像一群大小犹如发丝的微型机器人，游动在你的血管里并修复损失，或者飞驰在电脑芯片中充当安全锁，或者使心脏组织快速愈合。来自加州大学伯克利分校、达特茅斯学院和杜克大学的研究人员们，展示了如何利用单一电信号来指挥一群微型机器人自动组装成为更大的结构。研究者们希望用这种方法来建造生物组织。但要让微型机器人做类似的事，研究人员首先要找到一个控制它们的好方法。



　　“当物体很小时，它们就容易粘在一起，”一名NIST（美国国家标准技术研究院）智能系统部门的机器人研究者杰森·戈尔曼（Jason  Gorman）说。NIST合作组织了一项微型机器人的年度竞赛，吸引了来自世界各地的众多组织团体。“已被发明的多种移动方法都着眼于克服或利用这一特性。”



　　目前，大多数用来推、拉这些微型机器的控制方法都是利用磁场。这种方法已经能够使它们快速游走于一枚硬币的表面，推动微小物体或者在血管里游动。然而，这些系统通常需要安装复杂的线圈以产生电磁场或者专门的组件，而且让这些机器人执行任务也会比较困难。



　　杜克大学计算机科学及生物化学教授布鲁斯·唐纳德（Bruce  Donald）则另辟蹊径，正在研发一种能够对电势做出反应并通过电极阵列由电力供能的微型机器人。如今，他和其他研究者们已经证明，他们能够控制一组这样的微型机器人组成较大的造型。他们对每个机器人的设计都做了些调整，因而它们每个对不同电压都会有不同的反应，最终产生复杂的群体行为。



　　“一个恰当的比方就是，我们有许多可以远程控制的汽车，但仅有一个遥控器。”加州大学伯克利分校的博士后科学家伊戈尔·帕普洛蒂尼（Igor  Paprotny）在上周哈佛大学的一次演讲中说到（他是该项目的领导者之一）。演讲期间，他向大家展示了一个容器，里面盛放有一片指甲大小的晶圆。在那上面有超过100个微型机器人。



　　“我们所做的就是对轮子的转向方式做稍许改动，”他说，“有着相当简单行为的设备，可被设计成在施加全局控制信号时表现出些许不同行为。这可以允许一系列非常复杂的行为组合。”这种机器人拥有一个被称作刮板式驱动器的致动器，它可以根据电极阵列提供的电压不同而产生弯曲。当释放电压时，它就向前移动，行动方式类似一只尺蠖。但机器人行为各异的关键在于从致动器中伸出的手臂。微型机器人身上的一条转向臂会对一定电压做出响应而向下压，在表面拖动并使机器人转向。通过每秒上抬下压转向臂一两次，该团队便可以控制某个机器人的转向幅度。为控制一个群组，该团队为每个机器人设计了一条对特定电压信号会做出不同反应的手臂。计算机算法改变电压序列，从而促使机器人以复杂的方式运动。



　　“静电机器人所拥有的一项优势在于它们的能源是由微型机器人所处的电极阵列提供的，”戈尔曼说。“这非常简洁。因此，静电机器人能够被嵌入到其他东西里（像电脑芯片）。对于电磁机器人，你必须提供电磁场，而且那需要更大的装置。”其他人已经致力于研究静电机器人了，他补充说，但这一项目走得最远。



　　“他的研究在多机器人控制方面非常前沿，”苏黎世联邦理工学院机器人专家佐尔坦·纳吉（Zoltan  Nagy）说。他与一些团队合作研究了名为Magmites的机器人电磁控制项目。



　　“目前该项目一直是在控制单个能够在基板上预订范围内运动的机器人，”戈尔曼补充说。“然而，许多有意义的应用都会需要控制众多机器人，就像一群蚂蚁。”



　　至今，帕普洛蒂尼已经能够每次在一个表面上控制4个机器人了，并且这些机器人每秒能够移动相当于其身长数千倍的距离，在已提交审核的论文里有详细叙述。他的下一个计划是使该装置适应液态环境以使微型机器人可以将生物组织部件组装成仿生模型。



　　“我们正试图提出一种自组装的组织单元，”哈佛医学院布里格姆女子医院（Brigham  and  Women\"s  Hospital  at  Harvard  Medical  School）的副教授阿里·卡丹赫沙尼（Ali  Khademhosseini）说到。他同时也是一位组织工程学专家，正与帕普洛蒂尼合作。“在人体中，组织是以层次方式组成各单元不断复制自身从而形成更大的组织结构。”例如，肌肉组织就是由细小纤维构成，而肝脏组织则是由重复的六边形组成。



　　卡丹赫沙尼已经将细胞包裹在像果冻一样的水凝胶里并把他们（利用包括液态空气交互和表面张力的方法）组装到不同区域以模仿生物组织。但他们认为自组装微型机器人将会为制造组织提供更多控制。



　　“我们可以尝试在精密加工的系统中将细胞和材料合成在一起，产生出新的结构，并利用伊戈尔发明的技术把它们以特殊方式组合起来，”卡丹赫沙尼说。



　　在用并行方法构造一个组织的不同部分的基础上，他设想制造凝胶和细胞。“我们可以使用机器人进行组装，”他说。“一旦被组装好，来自机器人的细胞会让细胞进一步重新排列，使物体酷似自然组织。”最初，他希望制造小片心脏组织，然后是像心肌和瓣膜，并把它们一起组装到心脏里去。“那正是前进的方向，”他说，“但当前的挑战是，我们仍然还不善于将这些独立部分做好。”