研究領(lǐng)域：生物混合機器人，微流控技術(shù)

梁棟棟| 作者

梁金| 審校

鄧一雪|編輯

論文題目： Will microfluidics enable functionally integrated biohybrid robots? 論文來源： https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2200741119

1. 生物混合機器人和微流控技術(shù)

曾幾何時，機器和人的結(jié)合只出現(xiàn)在科幻小說和電影中，而如今，從心臟起搏器到機器義肢再到腦機接口，人機交互早已不是新鮮事?？墒欠催^來呢？在機器人身上配備人體組織或細胞，讓機器人更加接近人類，那會是怎樣的場景？

一般意義上的機器人我們稱之為 Cyborg，也就是《異形》系列中的生化人，它們是完全冰冷的機械個體；而與生物結(jié)構(gòu)相結(jié)合，則稱之為 Biohybrid，也就是這里所提到的生物混合機器人（biohybrid robots），它們具有更多的生命性。現(xiàn)如今，科學(xué)家們通過不懈努力，在微觀到宏觀層面上，將機器人與細胞結(jié)合，創(chuàng)造出能夠進行各種工作的生物混合機器人。

對于生物混合機器人來說，生物組織需要生存，組織液體的灌注是必須的，所以對于生物混合機器人領(lǐng)域，核心技術(shù)之一就是如何精細控制灌注生物組織的液體——即微流控技術(shù)（microfluidics）。

圖1：各個尺度下的生物混合系統(tǒng)。亞細胞生物混合系統(tǒng)是由動態(tài)分子的相互作用和酶的催化活性驅(qū)動的。微型機器人可以從單個活動細胞（例如，細菌，藻類，原生動物，精子細胞）中獲得?？墒湛s細胞能在體外組裝，形成由功能性肌肉組織組成的毫微米尺度下的驅(qū)動器。組織可以從動物身上移植，并集成到機器中，以實現(xiàn)各種功能（例如，驅(qū)動或聽覺感知）。最后，多細胞生物既可以用來指揮機器，也可以被集成的人工裝置控制。

微流控技術(shù)是流體力學(xué)和微機電系統(tǒng)技術(shù)的結(jié)合，對基礎(chǔ)細胞生物學(xué)、生物分子分析等多個研究領(lǐng)域做出了巨大貢獻。微流控技術(shù)可以通過使用微氣動系統(tǒng)（如液體泵、氣體驅(qū)動閥）和微流體結(jié)構(gòu)，分別引導(dǎo)（芯片）片外和片上流體（從納米到毫米體積的流體）。通過理解和控制微觀系統(tǒng)中的流體行為，我們可以在保留或改進某些原始特征的同時，減少復(fù)雜宏觀系統(tǒng)的規(guī)模。這種微型化的潛力已經(jīng)引起了其他研究領(lǐng)域（如機器人和組織工程）科學(xué)家的注意。所以微流控在幫助精細控制灌注生物混合機器人的生物組織的液體方面，有著令人十分憧憬的發(fā)展前景。

這篇文章則描述了如何將活組織與微流控裝置結(jié)合，以及從這種結(jié)合中獲得的好處，特別是在組織制造、發(fā)展和功能控制方面。文章同時強調(diào)微流控技術(shù)在支持大組織灌注和血管化方面的影響力，以及對生物混合機器人的功能集成組織的影響。

科學(xué)家們對生物混合機器人越來越好奇，努力解鎖細胞的潛力，以實現(xiàn)更高性能的機器。活細胞在傳感、控制和電源供應(yīng)方面已經(jīng)顯示出實用價值，特別是機器人的驅(qū)動方面。在以下段落中，作者簡要回顧了使用細胞驅(qū)動和其他功能的歷史里程碑，同時描述了最有希望的改進方向。

2. 由細胞實現(xiàn)的生物混合機器人

2.1 細胞用作驅(qū)動力

2005年，研究者將單個心肌細胞發(fā)育成肌束后與硅制微機械結(jié)構(gòu)進行集成，用作力傳導(dǎo)和運動系統(tǒng)。從那時起，便有了各種基于收縮肌細胞的生物驅(qū)動器，來執(zhí)行各種運動功能。采用功能性的3D構(gòu)象技術(shù)，可以進行較為復(fù)雜的運動任務(wù)，例如抓、走、游泳，均具有較高的空間和時間控制能力[2,3]。

基于收縮肌細胞的生物驅(qū)動器具有很多獨特的特性，比如，無聲操作、柔軟的手感、生物可降解、自愈能力，以及采用能量密集、廉價和環(huán)保的葡萄糖作為燃料[2,3]。單個骨骼肌管和心肌細胞產(chǎn)生的收縮力分別為約 1 μN 和 10 μN，同時它們可以在微米尺度下產(chǎn)生可檢測的力，相對于現(xiàn)有最小的傳統(tǒng)驅(qū)動器（壓電驅(qū)動器）只能在 >1 mm 的尺度下有效縮放[2,3]。所以這種生物驅(qū)動器在兩種尺度下都具有獨特的潛力：一方面，基于收縮肌細胞的微觀生物驅(qū)動器可以在小型生物醫(yī)學(xué)機器人中應(yīng)用；另一方面，宏觀的生物驅(qū)動器將使機器人具有栩栩如生的動作、自我修復(fù)和柔軟的手感，以便與人類和其他物種進行親密接觸和互動。

過去十年，體外制造生物驅(qū)動器方面取得了相當(dāng)大的進展，但是目前基于工程肌肉組織的生物驅(qū)動器的性能還是遠不如原生肌肉以及其它任何可用的驅(qū)動技術(shù)。合成驅(qū)動器的體積從 0.1cm3~0.1m3 不等，產(chǎn)生的力大約在 102 ~105 N 之間，這比目前的生物驅(qū)動器的力高出了多個數(shù)量級（大約在 10-6~10-3N 之間）。此外，長期保持較低的質(zhì)量功率比有望提高生物驅(qū)動器的長期性能，但是工程肌肉組織仍然存在較差的中期和長期功能表現(xiàn)，這是由于細胞活力的衰減和結(jié)構(gòu)體的體外穩(wěn)定性變差。

針對上述存在的問題，作者認為可以考慮改進以下幾個方面：一、肌肉組織的體外制造需要更加高效、仿生、可控。在這種情況下，肌肉細胞的基因工程可能可以通過調(diào)節(jié)細胞骨架和收縮相關(guān)蛋白的表達來增強其收縮力（如肌動蛋白、肌凝蛋白、肌鈣蛋白），以及肌源性分化和肌肉組織發(fā)育的調(diào)節(jié)因子。二、最大限度地將力從收縮單元傳遞到骨架的界面來減少合成骨架結(jié)構(gòu)和肌肉組織之間的有限相干性導(dǎo)致的力的分散。三、為了擴大其操作的多功能性，生物驅(qū)動器需要能夠支持細胞在“實驗室外”長期存活。四、基于多尺度和多物理模擬的先進建?？梢詭椭焖賰?yōu)化生物驅(qū)動器的性能。

2.2 細胞用作傳感、控制和電池

細胞可以感知和處理外部刺激，也可以有效地從環(huán)境中的營養(yǎng)物質(zhì)中提取化學(xué)能，并將其轉(zhuǎn)化為機械能。細菌、多細胞生物的特化細胞可以用來實現(xiàn)機器人的傳感、控制和供電功能[32-35]。

關(guān)于化學(xué)生物傳感器，感知機械刺激的生物混合技術(shù)也已經(jīng)成功制造出了專門用于觸覺或者聽覺感知的細胞 [16,36]。某些細胞或者有機體的光學(xué)反應(yīng)則為生物視覺和機器人控制開辟了前景。在千禧年初，由活細胞和工程材料組成的視網(wǎng)膜假體開始了恢復(fù)視力的研究 [40-42]。光遺傳基因組修飾使細胞具有光敏性，這種后天的、非自然的能力可被利用來控制細胞的固有功能（例如，神經(jīng)元和肌肉細胞的電化學(xué)信號或物理收縮）[37,43]。十多年前，人類和其他物種的神經(jīng)元已經(jīng)被培養(yǎng)在人造芯片上，以驅(qū)動機器人運動或執(zhí)行其他任務(wù)功能，而最近，關(guān)于機器人生物控制的研究集中在使用神經(jīng)元調(diào)節(jié)肌肉驅(qū)動器的收縮 [47-49]。

細胞的另一個應(yīng)用涉及生物電的產(chǎn)生。將自發(fā)跳動的心肌細胞與通過壓電效應(yīng)產(chǎn)生電壓的材料連接，可以產(chǎn)生電能，并用于為微電子設(shè)備供電 [50,51]。另外，基于全細胞的光合生物混合系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)可持續(xù)的太陽能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化（例如，光促進二氧化碳減少和生物氫生產(chǎn)），可以用于能源生產(chǎn)和存儲 [52,53]。

3. 微流控技術(shù)：

機器人和組織工程之間的橋梁

3.1 用于機器人的微流體

微流體可以和機器人等動力系統(tǒng)進行有效的協(xié)同工作。在軟體機器人中，驅(qū)動常常是由流體壓力驅(qū)動的，同時由于軟體機器人中的材料變形通常是由于流體壓力引起，所以微流控技術(shù)有助于實現(xiàn)對主動驅(qū)動精細控制。關(guān)于機器人技術(shù)和微流控之間的界面的出版物很少。這種研究的稀缺是由于軟機器人是大約10年前出現(xiàn)的一門年輕學(xué)科，而微流體學(xué)則在過去20年里不斷發(fā)展[56-59]。

3.2 用于組織工程的微流體

在許多含有細胞的工程應(yīng)用中都離不開微流體的應(yīng)用。所以微流控技術(shù)在細胞過程（如生長、老化）以及微環(huán)境研究中非常有用。近年來，微流控技術(shù)和組織過程技術(shù)日益融合，這項技術(shù)能夠讓我們在微米到毫米大小的通道中進行微流體的灌注和流動。

微流體是許多含有細胞的應(yīng)用的基礎(chǔ)。特別是，微流控技術(shù)在細胞過程（如生長、老化）、特性（如粘附、束縛）和微環(huán)境的研究中非常有用[60-63]。近年來，微流體技術(shù)與組織工程技術(shù)日益融合。微流體允許我們在微米到毫米大小的通道中進行流體灌注和流動；在一個系統(tǒng)中培養(yǎng)多種細胞類型；優(yōu)化生化梯度；并通過機械力刺激細胞[64,65]。未來，微流體將進一步促進組織工程，使科學(xué)家能夠復(fù)制和控制細胞微環(huán)境中的條件，并利用于新興的類器官領(lǐng)域。最后，微流控技術(shù)可以讓我們培養(yǎng)大型組織結(jié)構(gòu)，包括構(gòu)建模仿自然組織血管化的可灌注通道系統(tǒng)。微流控技術(shù)可以通過在通道內(nèi)精細施加流體流動來精確地分布流體壓力?？梢栽O(shè)想，在大體積組織中掌握流體微動力學(xué)將確保對細胞存活的精細控制，從而實現(xiàn)體外長期的生命活力[66-69]。

3.3 微流控技術(shù)應(yīng)用在生物混合機器人中的潛力

圖2中，作者向我們展示了微流控技術(shù)在生物混合機器人中的應(yīng)用潛力——組織工程和機器人的結(jié)合。雖然目前大多數(shù)生物混合機器人的研究都集中在生物驅(qū)動方面，但對其它生物功能的興趣在不斷增加，最近關(guān)于環(huán)境感知和運動控制的文章 [16,18,19,47] 證明了這一點。

微流體平臺在細胞培養(yǎng)方面的敏感性能夠促進特定類型的細胞（如神經(jīng)細胞）和肌肉組織進行融合，從而賦予生物驅(qū)動相關(guān)功能（如運動控制）。流控技術(shù)還能使我們安全地操作脆弱的組織單元，在大規(guī)模生產(chǎn)過程中從形態(tài)上控制它們的形成。

在微流控芯片中可以將細胞和其它控件連接起來。例如，通過芯片，細胞可以在機器人中實現(xiàn)例如水污染檢測等實際應(yīng)用。在這種配置中，細胞可以暴露在環(huán)境液體中，然后進行分析。細胞活力與已知或未知污染物的存在相關(guān)聯(lián)，然后通過轉(zhuǎn)導(dǎo)信號（通常是阻抗或基于色譜的響應(yīng)），這樣就允許研究人員評估水樣的質(zhì)量[72]。

在最近的研究中，蝗蟲的鼓室器官被用作聽覺傳感器來控制機器人的運動，提取的組織包括完整的聽神經(jīng)，它能夠記錄由聲音觸發(fā)的神經(jīng)活動[16]。這種聲學(xué)生物傳感器由機器人中的微流控芯片實現(xiàn)，該芯片配有電極，將聽神經(jīng)的電生理反應(yīng)傳遞給機器人，微流控芯片提供了一個腔室來保持生物傳感器的活性并執(zhí)行電生理記錄，證明了機器人內(nèi)部復(fù)雜組織的可集成性。不久，基于細胞對機械波和負載的理解，微流控可能會解鎖聽覺和觸覺感知的技術(shù)實現(xiàn)。重要的是，下一代微流體生物傳感器可以不用再直接使用從動物身上提取的預(yù)制組織，而是使用細胞聚集體或是通過自下而上的組織工程構(gòu)建的組織。通過這種方式，感覺細胞可以根據(jù)預(yù)先設(shè)計的圖案，更好地與微芯片的組件相結(jié)合。因此，通過微流控芯片和生物制造技術(shù)，微流控技術(shù)將提高收縮組織的性能，并使生物混合機器人的新形式和應(yīng)用成為可能。

生物混合機器人的一個未來期望是擴大生物組件，以實現(xiàn)具有高能量轉(zhuǎn)換效率的大規(guī)模機器人?；谖⒘骺氐奈⑸锷韺W(xué)可能使大型、耐用和自主的生物機器成為可能。在這種情況下，微流控能提供足夠的組織灌注，以有效地分配氧氣和營養(yǎng)到大尺寸組織的細胞中。此外，也可以開發(fā)便攜式微流控系統(tǒng)，它能夠讓細胞在移動機器人中生存。微流控技術(shù)將如何以及在多大程度上改進生物混合機器人還有待觀察，它可能先從改進細胞組裝開始，然后再涉及到更復(fù)雜的機器人生物模塊的實現(xiàn)。

圖2：微流控技術(shù)在生物混合機器人中的可能貢獻。微流控生物混合機器人將結(jié)合不同類型的細胞，如肌肉和神經(jīng)細胞。精細的神經(jīng)支配網(wǎng)絡(luò)將使在多個陣列中選擇性控制特定的生物驅(qū)動器成為可能。微流控技術(shù)可以調(diào)節(jié)細胞微環(huán)境條件和微制造細胞載生物材料。這些應(yīng)用將孕育越來越多用途和性能的生物混合機器人。最后，微流體組織灌注和生物反應(yīng)器系統(tǒng)將產(chǎn)生更大的生物混合體，并具有持久和自主的功能。

4. 挑戰(zhàn)和未來展望

生物混合機器人技術(shù)還處于起步階段，還有很多領(lǐng)域有待探索，還有很多挑戰(zhàn)有待解決。要將生物混合體轉(zhuǎn)化為能夠在現(xiàn)實環(huán)境中運行的平臺，就必須解決細胞壽命、組織制造和機器人功能方面的幾個挑戰(zhàn)。

其中一個主要問題是，生命材料需要精確的環(huán)境條件才能生存，特別是，細胞環(huán)境應(yīng)該能夠有效地進行生化和氣體交換。精確控制流體行為將有可能在不同水平上推進生物混合機器人技術(shù)。精確的微流體調(diào)節(jié)將促進生物混合系統(tǒng)的構(gòu)建和發(fā)展。微流控將允許我們生成可組裝的基礎(chǔ)模塊，作為更復(fù)雜和仿生生物的基礎(chǔ)。

其次，微流控平臺將使我們能夠刺激細胞，以增強生物驅(qū)動器的組織生長。微流控技術(shù)更重要的功能是能夠進行有效的組織灌注。高效的灌注將為宏觀組織構(gòu)建鋪平道路，這不僅會給生物混合機器人帶來革命，而且會對整個組織工程領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的影響。

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