这个爬行机器人是由活体大脑和肌肉细胞制成的

科学家们想知道生物混合机器人是否能够形成持久的生物“思维”来指导运动。

这是一个奇异的景象：随着短暂的闪光，一个海绵状的机器人在瓷砖表面上快速移动。它被翻转过来，像做仰卧起坐一样反复抽搐。通过调整光的频率，科学家可以改变这个奇怪生物的移动速度，以及它在长时间爬行后需要“休息”的时间。

软体机器人并非新鲜事物，但这款海绵机器人却与众不同，因为它将活体肌肉和脑细胞与3D打印的骨架和无线电子融为一体。这些经过基因改造的神经元能够对光作出反应，触发邻近肌肉的收缩或释放。

看着机器人四处爬行固然有趣，但这项研究的主要目标是探究生物混合机器人能否形成一种持久的生物“思维”，从而指挥运动。神经元是极其敏感的细胞，一旦脱离精心控制的环境，就会迅速停止工作甚至死亡。这些海绵机器人利用不同类型神经元的团块状融合来指挥肌肉，使其爬行能力保持了两周以上。

科学家们已经研制出利用电或光控制肌肉细胞的生物混合机器人。有些机器人可以模仿游泳、行走和抓取的动作。添加神经元可以进一步微调它们的活动和灵活性，甚至赋予它们某种重复任务的记忆。

这些生物混合机器人提供了一种独特的方法，无需实验动物即可研究运动、运动障碍和药物研发。由于其组件通常与生物体兼容，它们可以用于诊断、药物输送和其他医疗场景。

柔软但强大

“机器人”这个词常常让人联想到终结者的金属T-800。软体机器人拥有更加灵活敏捷的潜力。能够轻微变形，让它们能够挤过狭小空间，监测珊瑚礁等脆弱的生态系统，探索深海，甚至有可能在对周围组织造成最小损伤的情况下蜿蜒穿行于人体。

除了合成材料和机制外，构建软体机器人的另一种方法是从自然界中汲取灵感。从蓝鲸到啮齿动物和人类，它们都依赖类似的生物机制来移动。肌肉中的运动神经元接收来自大脑和脊髓的指令。然后，它们释放化学物质来触发肌肉收缩或放松。

这个过程节能高效，并能快速适应环境的突然变化——比如跨过意想不到的门阶而不是绊倒。尽管如今的机器人越来越灵活，但它们在崎岖不平的地形中仍然难以应对突如其来的“地雷”。添加神经肌肉接头或许可以打造出更精准、更高效的机器人。

去年，在一次概念验证中，一个团队利用干细胞衍生的神经元、心肌细胞和电子“大脑”设计了一个可以游泳的“黄貂鱼”机器人。科学家将这些细胞、大脑与人造骨骼结合起来，制造出了一个可以拍打鱼鳍并在游泳池中漫游的软体机器人。

令人惊讶的是，两种细胞之间的连接形成了电突触。通常，神经元会释放化学物质来控制肌肉运动。这些连接被称为化学突触。虽然电网络速度更快，但它们的适应性通常较差。

这项新研究的目的是在机器人中创造化学突触。

该团队首先3D打印了一个骨骼，形状大致类似“8”字形，但中间部分更宽。骨骼两侧各形成一个凹槽，一侧略深于另一侧。这些凹槽旨在用作腿部。随后，研究人员将小鼠的肌肉细胞植入每个凹槽内的营养凝胶中。五天后，这些细胞形成了能够收缩的肌肉条，遍布整个腿部。

机器人的“大脑”位于“8”字形的中间部分。研究团队利用基因工程改造的干细胞，制作出名为神经球的微小神经组织团块，这些团块能够被光激活。这些团块包含各种脑细胞，包括控制肌肉的运动神经元。

神经球移植几天后就与肌肉组织连接起来。这些细胞形成了形态和功能与我们体内的神经肌肉接头相似的神经肌肉接头，而生物混合机器人则开始分泌控制肌肉功能的化学物质。

然后，电子技术也随之而来。团队添加了一个集线器，用于无线检测光脉冲、收集能量，并驱动五个微型 LED 灯，从而改变脑细胞活动并将其转化为运动。

机器人以龟速移动，大约每分钟0.8毫米。然而，在整个试验过程中，腿部始终同步抽搐，这表明神经元和肌肉的连接形成了某种同步性。

令人惊讶的是，有些机器人即使在关灯后仍能继续移动，而另一些“僵尸”机器人则自发地移动。团队仍在深入研究这一现象的原因。但性能上的差异也在意料之中——生物部件的可控性远低于无机部件。

就像高强度训练之后，机器人也需要休息。当它们被翻转过来，腿部可以活动大约两周，但之后就无法活动了。这可能是由于代谢毒素的累积，这些毒素逐渐在机器人体内积聚，但团队正在寻找根本原因。

尽管存在缺陷，这些机器人本质上是由活体微型神经网络和连接电子设备的组织构建而成——真正的半机械人。该团队写道，它们“为理解……神经元和神经肌肉接头的突发行为提供了一个宝贵的平台”。

研究人员目前正计划探索不同的骨骼，并监测其行为以进行微调控制。添加更多高级功能，例如感官反馈和一系列肌肉结构，可以帮助机器人进一步模仿人类神经系统的灵活性。而像海洋生物那样拥有多个神经“中心”，可以控制与我们完全不同的机器人的不同肌肉。