神經(jīng)肌肉驅動的生物混合機器人進展

供稿人:陳天驕 劉璟璇
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

近年來，研究者們獨辟蹊徑，將生命系統(tǒng)與機電系統(tǒng)相結合，研發(fā)用活體肌肉組織或細胞驅動的類生命機器人。類生命機器人具有生命系統(tǒng)的如高能量轉換效率和安全性等特點，也具有傳統(tǒng)機電系統(tǒng)高強度、高重復性等優(yōu)勢。

2019年PNAS上伊利諾伊大學香檳分校機械科學與工程系的課題組介紹了一個由神經(jīng)肌肉單元驅動的生物混合機器人。該機器人的身體由獨立的軟支架、骨骼肌組織和含有運動神經(jīng)元的干細胞衍生神經(jīng)簇組成。運動神經(jīng)元有選擇地向肌肉延伸軸突，并對其進行神經(jīng)支配，形成功能性神經(jīng)肌肉單位，最后由神經(jīng)刺激引起的周期性肌肉收縮，驅動鞭毛產(chǎn)生一定的動力，從而為機器人前進提供推力。

圖1 神經(jīng)肌肉驅動的生物混合機器人

研究人員首先設計了一個生物機械融合系統(tǒng)的軟組織支架，他們選用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為支架材料，上面附有重組的細胞外基質(ECM)用于包裹以肌肉和神經(jīng)元所組成的功能性神經(jīng)肌肉單位。為了促進神經(jīng)肌肉單位的原位發(fā)育，研究者將來源于干細胞的神經(jīng)簇和肌細胞一起嵌入到ECM凝膠中用于形成肌肉組織和神經(jīng)肌肉接頭(NMJ)。

在獨立的軟組織支架上進行原位神經(jīng)肌肉發(fā)育時，首先要構建一個神經(jīng)肌肉執(zhí)行器，作為生物雜交設計的框架。因為NMJ模型只在平坦的基板上或3D但永久錨定的支架上得到證實，所以研究者先設計了一個獨立的PDMS支架測試平臺，通過形狀設計來使肌細胞形成收縮性的肌管，通過定向分化光遺傳來形成對光敏感的運動神經(jīng)元，并且神經(jīng)元的軸突生長明顯偏向于肌肉細胞。通過實驗證明，在肌肉組織和神經(jīng)元之間形成了功能性的神經(jīng)肌肉接頭。

圖2 生物融合系統(tǒng)時間軸

接下來研究人員對該機器人的物理模型進行了計算，并且選用了仿生鞭毛作為動力來源。在考慮流體和軟彈性結構之間的非線性相互作用時，利用計算模型來對實驗數(shù)據(jù)進行仿真模擬，找出了不同組件參數(shù)的最佳取值并確定了雙尾的實驗設計。

圖3 計算建模和設計

最后研究人員利用Z-stack圖像對機器人進行實際測試，在高密度液體培養(yǎng)基中釋放機器人并用光刺激神經(jīng)元來驅動肌肉進行可控運動。多次實驗結果表明盡管速度緩慢，實驗機器人依舊產(chǎn)生了穩(wěn)定運動，實驗還表明在于多次刺激后運動時間和距離會縮短，這表明運動能力能夠持續(xù)維持的持續(xù)時間可能受到神經(jīng)遞質囊泡釋放和肌肉代謝動力學的限制。

該課題組實現(xiàn)了將神經(jīng)-肌肉控制系統(tǒng)整合到生物融合機器人中，并且成功演示了機器人的神經(jīng)肌肉驅動，這為開發(fā)模式化的生物機械融合開辟了新的道路。該類生命體機器人展示了一個多細胞工程生物系統(tǒng)，這個系統(tǒng)是通過自上而下的工程設計和自下而上的自我組織和發(fā)展的綜合而開發(fā)的。指導支架設計的一般原則和與過程中協(xié)同工作的組織培養(yǎng)技術的方法，在實現(xiàn)未來的生物雜交和生物融合系統(tǒng)方面被證明是有效的。而具有感覺-運動能力的生物混合系統(tǒng)可以作為破譯具體化感知和行動機制的平臺，從而不僅可以在機器人制造，甚至生物工程和醫(yī)藥等領域帶來新的進步。

參考文獻：
Aydin Onur,Zhang Xiaotian,Nuethong Sittinon,Pagan-Diaz Gelson J,Bashir Rashid,Gazzola Mattia,Saif M Taher A. Neuromuscular actuation of biohybrid motile bots.[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2019,116(40).