供稿人：梁拓，高琳 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2021-11-07
2021年6月，多倫多大學機械與工業(yè)工程系的研究團隊在Science Robotics期刊上發(fā)表一篇研究生物混合機器人的文章。文章中提出了一種提出了一種改造秀麗隱桿線蟲線蟲的遺傳和神經系統(tǒng)的方法，并創(chuàng)建了一個不受限制的、高度可控的活體軟微型機器人（稱為“RoboWorm”）?；畹娜湎x通過光遺傳學和生化方法進行改造，以關閉其神經元和肌肉系統(tǒng)之間的信號傳輸，同時其肌肉細胞仍保持光學興奮。這種經過工程改造的 RoboWorm 展示了以光遺傳學方法自動控制再現天然蠕蟲運動行為的能力。此外，所提出的基于視覺的閉環(huán)控制方案使具有空間感的 RoboWorm 能夠穿越障礙物以到達預定目的地。通過這項技術，研究者將癱瘓的蠕蟲變成了一個活的、可控的、爬行方向和目的地可控的軟體微型機器人。得益于其微米級的尺寸和柔軟的身體，RoboWorm 最終可以發(fā)展成為微型活體動物代替者，以執(zhí)行各種顯微操作任務，例如移動微型物體、微環(huán)境導航和游泳。還可以制造一種蠕蟲狀的人造微型機器人，其身體具有類似肌肉的光驅動致動器，這可以實現線蟲在不同圖案的光刺激下不同爬行模式。
圖1 激光束激發(fā)下蠕蟲彎曲響應
圖2 蠕蟲向前和向后爬行期間的相位差（強度越高表示肌肉活動越強）
從機器人的角度來看，生物和工程系統(tǒng)在完成常見的運動任務方面具有相似的功能，這導致將工程思維注入生物體的可能性。這種集成方法填補了生物感覺運動系統(tǒng)和工程運動控制之間的空白，并轉化了活的線蟲成微米大小的可控 RoboWorm。它提供了一種通過光遺傳學肌肉激發(fā)直接從活的多細胞微生物開發(fā)生物混合機器人的實驗方法。這項工作中報道的蛇形運動機制和時空光學驅動方法也可以很容易地應用于設計以光敏材料作為執(zhí)行器的蠕蟲狀人工微型機器人。此外，除了在微型機器人方面的前景之外，該 RoboWorm 系統(tǒng)還可用作進一步研究蠕蟲蛇形運動的生物物理學和神經基礎的平臺，從而可作為對秀麗隱桿線蟲和其他線蟲進行基礎研究的有效工具。
除了在機器人技術方面的巨大潛力外，這項技術還可以實現對秀麗隱桿線蟲和其他線蟲物種的基礎研究。例如，為了研究對感覺-運動整合至關重要的本體感受反饋，可以操縱蠕蟲身體上的特定肌肉群以適應任何類型的自然姿勢，并同時記錄運動神經元和前運動中間神經元的鈣動態(tài)。