柔软且容易被撞倒的机器人需要等待多长时间？

说到机器人，大多数人想到的都是一堆由金属和塑料零件制成的硬东西——通常是一个由各种螺母和螺栓组装而成的硬机器人。对于与机器人打交道的人来说，这样的硬件设计会带来安全风险。例如，当工业机器人“意外触碰”人类工人时，后果是——至少是瘀伤，最坏的情况是骨折。

如何应对硬件机器人的安全风险？

世界各地的工程师越来越倾向于让机器人变得更柔软、更顺从的设计——不再是僵硬的机器，而更像“轻便、灵活、易于推倒”的小动物。对于电机等传统驱动器，这意味着使用人工“空气肌肉”或在传动系统中添加弹簧结构。

德国Festo：空气肌肉机器人概念图

凯斯西储大学的Whegs机器人在电机与脚轮之间装有弹簧装置，当它撞到人时，弹簧可以吸收部分能量，减少人身伤害。

Whegs 机器人

后来，研究人员将机器人技术与生物组织工程相结合，开始利用活体肌肉组织和细胞来制作机器人，通过光和电刺激细胞收缩，控制机器人肢体弯曲，使其完成划水、爬行等动作。

由此产生的生物机器人是柔软的，在人类周围工作显然更安全。此外，生物机器人主要使用营养物质来补充能量，不需要大型电池组。这使得它们比硬机器人更轻。

钛板上的生物机器人

如何开发生物机器人？

研究人员通过增殖细胞来制造生物机器人。他们通常使用鸡或老鼠的心肌或骨骼肌，并在对活细胞无毒的支架上进行增殖。如果基底由聚合物（聚合物）制成，则得到的生物机器人是天然材料和人工材料的混合体。

然而，将组织直接放置在模制骨骼上会导致它们向各个方向疯狂生长，这意味着当它们受到电刺激移动时，组织的收缩力会均匀地施加在各个方向上 - 从而无法精确控制并且效率低下。

因此，研究人员转向细胞图案化技术。他们使用细胞喜欢附着的材料在骨骼上打印出微观线条。这些线条起到引导的作用——细胞组织往往沿着它们生长。一旦研究人员将细胞排列成设计好的图案，他们就可以控制肌肉收缩力如何施加到基底上。因此，所有细胞都可以协同工作，使生物机器人的腿或鳍像动物一样移动，而不仅仅是一块在受到刺激时随机收缩的肉。

仿生合成生物机器人

除了各种生物合成机器人外，研究人员还利用纯天然材料制造了一些“纯”生物机器人——用皮肤胶原蛋白代替基底的聚合物，成为机器人的身体。当它们受到电刺激时，它们可以爬行或游泳。受医学组织工程技术的启发，一些研究人员开发出一种可以使用直角臂（悬臂）向前移动的机器人。

还有学者从大自然中汲取灵感，打造仿生生物合成机器人。例如，加州理工学院的一个团队开发了一款名为“The Robot”的仿生水母机器人，其触手呈环状排列。借助细胞图案化技术，每根触手上都打印有蛋白质线条，这些蛋白质线条将细胞排列成与真实水母肌肉组织相似的方式。当细胞收缩时，触手向内弯曲，推动水母机器人向前移动。

仿生水母机器人

更强大的生物机器人

虽然在生物合成机器人领域已经有了诸多突破，但这些机器人的商业化和使用时机还远未成熟。目前这些机器人寿命较短，功率输出较低，大大限制了处理各种任务的速度和能力。此外，利用鸟类和哺乳动物细胞研制的机器人对环境非常敏感，比如必须保持环境温度接近生物体的体温。而且和动物一样迷你机器人，细胞需要定期补充营养——喂养营养液。一种潜在的解决方案是将生物机器人封装起来（类似于皮肤对人类的保护），这样外界环境的影响就不再那么致命，而营养液的补充也能建立起内部系统（就像为人体细胞提供营养的血液循环系统一样）。

另一种选择是利用更坚韧的细胞作为执行器。近日，凯斯西储大学的学者通过研究顽强的海螺，探索了它的可行性。海螺生活在潮间带，每天都要经历巨大的温度和盐度差异。退潮时，一些海螺会被困在浅滩里，海水会随着光线蒸发。下雨时，周围环境的盐浓度会急剧下降。为了适应复杂多变的栖息地条件，海螺进化出了坚硬的外壳来保护自己。

研究人员实现了利用海蜗牛肌肉组织作为驱动力来驱动生物合成机器人的目标。这意味着我们可以利用这些更强大的细胞组织来制造生物机器人。据悉，该机器人目前可以携带小物体——长 1.6 英寸，宽 1 英寸。

部分由海蜗牛组织制成的生物机器人

挑战与前景

仿生机器人面临的另一大挑战是尚未开发机载控制系统。工程师只能通过外部电场或光来控制它们。要开发完全自主的仿生机器人，我们需要能够直接与机器人肌肉组织通信并提供传感器输入的控制器。最直接的解决方案（也许是最困难的）是使用由神经元或神经元簇组成的神经中心作为生物控制器。

合成生物学领域仍处于起步阶段，但研究人员已经设想了许多应用。例如，可以制造一组由海蜗牛组织制成的微型机器人，然后将其放入水库或海水中，以寻找泄漏的管道或有毒物质。由于这些机器人是由生物组织制成的，因此如果它们分解或被海洋鱼类吞食，不会对环境造成很大影响。

未来，由人体细胞制成的生物机器人可用于医疗领域。它们可以输送靶向药物、治疗血栓，或成为可控制、可调节的血管支架。这些微型机器人装置可以强化衰弱的血管，防止动脉瘤。由于它们使用生物介质而不是聚合物，因此可以重新配置并随着时间的推移成为患者身体的一部分。此外，生物组织工程的进步（例如人工血液循环系统的开发）可能会打开一扇新的大门：依靠肌肉移动的大型生物机器人。

到那时，从外观上看，动物和生物机器人将很难区分。这一技术进步的结果可能是伦理、道德、生命和人的重新定义，带来社会各方面的彻底改变。