MIT 研究人员制造了一款软体游泳机器人，大小约相当于一根口香糖，其推进力来自活体肌肉组织，转向则由一束光控制。在最近报道的一项测试中，该装置在一个大型培养皿内游过了一个简单的水下迷宫，研究人员用手持光源照射其鳍片来引导它。它没有电机、没有电池，也没有机载电子设备——只有附着在柔性凝胶上的工程化细胞，完成通常由执行器承担的工作。
一层肌肉如何驱动游泳者
该机器人的身体将柔性凝胶与单层肌肉细胞结合在一起。这些细胞经过基因改造，只要光线照射到它们就会收缩。结果就是一片可按指令拍动的鳍：将光束对准机器人两片鳍中的一片，它就会弯曲；将光移到另一片鳍，机器就会转向，把前进运动与航向改变结合起来。由于触发信号来自培养皿外部，每一次转向决策都由手持光源的人做出，而不是由机器人上运行的软件决定。
在这里，尺度很重要。每片鳍长 15 毫米（0.59 英寸）、宽 7 毫米（0.28 英寸）、厚仅 0.5 毫米（0.02 英寸）——薄得足以反复弯曲，又足够结实，能对抗水的阻力。研究作者、MIT 机械工程副教授 Ritu Raman 说：“在水中移动比在空气中需要大得多的力。考虑到它的尺寸，这个机器人相当强壮。”
从起皱凝胶到排列整齐的纤维
要让肌肉有效拉动，需要改变材料。在团队早先的设计中，支撑细胞的极软纤维蛋白凝胶在肌肉收缩时容易起皱，浪费了组织产生的力。研究人员将这一基底替换为更硬的明胶基凝胶，并在其表面压印出平底凹槽。这些凹槽为细胞提供了可遵循的物理线索，促使它们排列并融合成纤维，从而能够共同拉动，而不是朝相互竞争的方向拉扯。
回报是更有序的肌肉层，将细胞收缩转化为更干净的运动。纤维不再与屈曲的基底对抗，而是能将力传递到鳍本身。
工程化组织的锻炼方案
肌肉越用越强，MIT 团队将这一原理应用于他们的机器人。他们每天用光刺激组织 15 分钟，频率为每秒两次脉冲，实际上让细胞进行了一次锻炼。与未受刺激的对照组相比，经过训练的组织使鳍片位移距离提高了四倍。这种肌肉还表现出耐久性：在没有锚定的情况下持续工作超过 30 天，对于必须经受反复收缩的活体材料来说，这是一段相当可观的时长。
更强的输出加上更长的耐力，正是让生物混合游泳机器人变得可行的原因。活体组织脆弱、需要营养，条件变化就会退化，因此任何在无锚定情况下实现长达一个月功能的演示，既是机器人学成果，也是材料学成果。
每分钟四个体长
速度并不是卖点。该机器人最快时大约每分钟游过四个体长。它很小、很慢，而且正如其创造者所承认的，距离在开放海洋中应用还很远。在演示中，它在一个简单迷宫中移动和转向，由研究人员手动引导，这更多展示了可控性而非自主性——机器人仍然依赖培养皿外的人来决定它去哪里。
该平台真正提供的是一种不同的设计理念。由于光负责信号传递，肌肉负责运动，这台机器可以在没有传统水下机器人所携带的刚性部件、线缆和电源的情况下制造。原则上，一个薄薄的凝胶加组织身体可能比电动等效装置更简单、更便宜——MIT 团队认为他们的工作正指向这个方向。
生物混合游泳机器人：过去与现在
光控、肌肉驱动的游泳机器人并非完全新鲜。此前的生物混合机器——将活体组织与工程部件结合的设备——已经利用细胞既产生运动又改变方向。2016 年，研究人员展示了一款由光敏大鼠心脏细胞驱动的机器鳐鱼。2022 年，一款用人心脏细胞构建的鱼形机器人依靠自身动力游动。MIT 的装置延续了这一谱系，其设计围绕外部光学控制以及为排列和耐力而工程化的肌肉层展开。
演示仍未回答的问题
迷宫穿行是在受控环境中对控制能力的验证，而不是实地试验。若干障碍仍未解决。该机器人需要一名带有光源的操作员，因此要实现自主性就需要新的传感和决策能力，而当前设计通过将所有部件保持在机外，刻意避开了这一点。让活细胞在实验室培养皿之外存活、获得营养并保持功能，与让它们收缩是另一个问题。而且，尽管组织在没有锚定的情况下持续工作超过 30 天，但其性能在肮脏、流动、温度多变的水中能保持到什么程度仍不清楚。
规模化是另一个未决问题。更大的游泳者需要按比例更多的肌肉、更多的光和更大的力，才能在更致密的介质中移动，而适用于 15 毫米的鳍几何结构未必能向上扩展。就目前而言，这项成就范围有限但真实：一台口香糖大小的机器能够游泳、转向并持续一个月，由对光作出反应的细胞驱动。
要点
MIT 的机器人与其说是原型载具，不如说是对工程化组织作为执行器能力的演示。更硬的带槽凝胶、排列整齐的肌肉纤维以及有意的训练方案相结合，造就了一个强到足以在水中拍动鳍片、稳定到足以持续一个月的游泳者。这是否能转化为适用于真实环境的更软、更便宜的游泳机器，仍有待证明——但蓝图已经摆在桌面上。
本文基于 New Atlas 的报道。阅读原文。
Originally published on newatlas.com
