研究領(lǐng)域：生物混合機(jī)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(lái)源： https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2200741119

1. 生物混合機(jī)器人和微流控技術(shù)

曾幾何時(shí)，機(jī)器和人的結(jié)合只出現(xiàn)在科幻小說(shuō)和電影中，而如今，從心臟起搏器到機(jī)器義肢再到腦機(jī)接口，人機(jī)交互早已不是新鮮事?？墒欠催^(guò)來(lái)呢？在機(jī)器人身上配備人體組織或細(xì)胞，讓機(jī)器人更加接近人類(lèi)，那會(huì)是怎樣的場(chǎng)景？

一般意義上的機(jī)器人我們稱(chēng)之為 Cyborg，也就是《異形》系列中的生化人，它們是完全冰冷的機(jī)械個(gè)體；而與生物結(jié)構(gòu)相結(jié)合，則稱(chēng)之為 Biohybrid，也就是這里所提到的生物混合機(jī)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(guò)不懈努力，在微觀到宏觀層面上，將機(jī)器人與細(xì)胞結(jié)合，創(chuàng)造出能夠進(jìn)行各種工作的生物混合機(jī)器人。

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

圖1：各個(gè)尺度下的生物混合系統(tǒng)。亞細(xì)胞生物混合系統(tǒng)是由動(dòng)態(tài)分子的相互作用和酶的催化活性驅(qū)動(dòng)的。微型機(jī)器人可以從單個(gè)活動(dòng)細(xì)胞（例如，細(xì)菌，藻類(lèi)，原生動(dòng)物，精子細(xì)胞）中獲得?？墒湛s細(xì)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(dòng)器。組織可以從動(dòng)物身上移植，并集成到機(jī)器中，以實(shí)現(xiàn)各種功能（例如，驅(qū)動(dòng)或聽(tīng)覺(jué)感知）。最后，多細(xì)胞生物既可以用來(lái)指揮機(jī)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(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的結(jié)合，對(duì)基礎(chǔ)細(xì)胞生物學(xué)、生物分子分析等多個(gè)研究領(lǐng)域做出了巨大貢獻(xiàn)。微流控技術(shù)可以通過(guò)使用微氣動(dòng)系統(tǒng)（如液體泵、氣體驅(qū)動(dòng)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(guò)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(jìn)某些原始特征的同時(shí)，減少?gòu)?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(jī)器人和組織工程）科學(xué)家的注意。所以微流控在幫助精細(xì)控制灌注生物混合機(jī)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(shí)強(qiáng)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(duì)生物混合機(jī)器人的功能集成組織的影響。

科學(xué)家們對(duì)生物混合機(jī)器人越來(lái)越好奇，努力解鎖細(xì)胞的潛力，以實(shí)現(xiàn)更高性能的機(jī)器?；罴?xì)胞在傳感、控制和電源供應(yīng)方面已經(jīng)顯示出實(shí)用價(jià)值，特別是機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方面。在以下段落中，作者簡(jiǎn)要回顧了使用細(xì)胞驅(qū)動(dòng)和其他功能的歷史里程碑，同時(shí)描述了最有希望的改進(jìn)方向。

2. 由細(xì)胞實(shí)現(xiàn)的生物混合機(jī)器人

2.1 細(xì)胞用作驅(qū)動(dòng)力

2005年，研究者將單個(gè)心肌細(xì)胞發(fā)育成肌束后與硅制微機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行集成，用作力傳導(dǎo)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。從那時(shí)起，便有了各種基于收縮肌細(xì)胞的生物驅(qū)動(dòng)器，來(lái)執(zhí)行各種運(yùn)動(dòng)功能。采用功能性的3D構(gòu)象技術(shù)，可以進(jìn)行較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)任務(wù)，例如抓、走、游泳，均具有較高的空間和時(shí)間控制能力[2,3]。

基于收縮肌細(xì)胞的生物驅(qū)動(dòng)器具有很多獨(dú)特的特性，比如，無(wú)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(jià)和環(huán)保的葡萄糖作為燃料[2,3]。單個(gè)骨骼肌管和心肌細(xì)胞產(chǎn)生的收縮力分別為約 1 μN(yùn) 和 10 μN(yùn)，同時(shí)它們可以在微米尺度下產(chǎn)生可檢測(cè)的力，相對(duì)于現(xiàn)有最小的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器（壓電驅(qū)動(dòng)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(dòng)器在兩種尺度下都具有獨(dú)特的潛力：一方面，基于收縮肌細(xì)胞的微觀生物驅(qū)動(dòng)器可以在小型生物醫(yī)學(xué)機(jī)器人中應(yīng)用；另一方面，宏觀的生物驅(qū)動(dòng)器將使機(jī)器人具有栩栩如生的動(dòng)作、自我修復(fù)和柔軟的手感，以便與人類(lèi)和其他物種進(jìn)行親密接觸和互動(dòng)。

過(guò)去十年，體外制造生物驅(qū)動(dòng)器方面取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，但是目前基于工程肌肉組織的生物驅(qū)動(dòng)器的性能還是遠(yuǎn)不如原生肌肉以及其它任何可用的驅(qū)動(dòng)技術(shù)。合成驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的力高出了多個(gè)數(shù)量級(jí)（大約在 10-6~10-3N 之間）。此外，長(zhǎng)期保持較低的質(zhì)量功率比有望提高生物驅(qū)動(dòng)器的長(zhǎng)期性能，但是工程肌肉組織仍然存在較差的中期和長(zhǎng)期功能表現(xiàn)，這是由于細(xì)胞活力的衰減和結(jié)構(gòu)體的體外穩(wěn)定性變差。

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，作者認(rèn)為可以考慮改進(jìn)以下幾個(gè)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(xì)胞的基因工程可能可以通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架和收縮相關(guān)蛋白的表達(dá)來(lái)增強(qiáng)其收縮力（如肌動(dòng)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(lái)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(kuò)大其操作的多功能性，生物驅(qū)動(dòng)器需要能夠支持細(xì)胞在“實(shí)驗(yàn)室外”長(zhǎng)期存活。四、基于多尺度和多物理模擬的先進(jìn)建?？梢詭椭焖賰?yōu)化生物驅(qū)動(dòng)器的性能。

2.2 細(xì)胞用作傳感、控制和電池

細(xì)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)中提取化學(xué)能，并將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。細(xì)菌、多細(xì)胞生物的特化細(xì)胞可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)械刺激的生物混合技術(shù)也已經(jīng)成功制造出了專(zhuān)門(mén)用于觸覺(jué)或者聽(tīng)覺(jué)感知的細(xì)胞 [16,36]。某些細(xì)胞或者有機(jī)體的光學(xué)反應(yīng)則為生物視覺(jué)和機(jī)器人控制開(kāi)辟了前景。在千禧年初，由活細(xì)胞和工程材料組成的視網(wǎng)膜假體開(kāi)始了恢復(fù)視力的研究 [40-42]。光遺傳基因組修飾使細(xì)胞具有光敏性，這種后天的、非自然的能力可被利用來(lái)控制細(xì)胞的固有功能（例如，神經(jīng)元和肌肉細(xì)胞的電化學(xué)信號(hào)或物理收縮）[37,43]。十多年前，人類(lèi)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(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)或執(zhí)行其他任務(wù)功能，而最近，關(guān)于機(jī)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(dòng)器的收縮 [47-49]。

細(xì)胞的另一個(gè)應(yīng)用涉及生物電的產(chǎn)生。將自發(fā)跳動(dòng)的心肌細(xì)胞與通過(guò)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(xì)胞的光合生物混合系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)可持續(xù)的太陽(yáng)能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化（例如，光促進(jìn)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(chǔ) [52,53]。

3. 微流控技術(shù)：

機(jī)器人和組織工程之間的橋梁

3.1 用于機(jī)器人的微流體

微流體可以和機(jī)器人等動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行有效的協(xié)同工作。在軟體機(jī)器人中，驅(qū)動(dòng)常常是由流體壓力驅(qū)動(dòng)的，同時(shí)由于軟體機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)精細(xì)控制。關(guān)于機(jī)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(jī)器人是大約10年前出現(xiàn)的一門(mén)年輕學(xué)科，而微流體學(xué)則在過(guò)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(xì)胞的工程應(yīng)用中都離不開(kāi)微流體的應(yīng)用。所以微流控技術(shù)在細(xì)胞過(guò)程（如生長(zhǎng)、老化）以及微環(huán)境研究中非常有用。近年來(lái)，微流控技術(shù)和組織過(guò)程技術(shù)日益融合，這項(xiàng)技術(shù)能夠讓我們?cè)谖⒚椎胶撩状笮〉耐ǖ乐羞M(jìn)行微流體的灌注和流動(dòng)。

微流體是許多含有細(xì)胞的應(yīng)用的基礎(chǔ)。特別是，微流控技術(shù)在細(xì)胞過(guò)程（如生長(zhǎng)、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(lái)，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?cè)谖⒚椎胶撩状笮〉耐ǖ乐羞M(jìn)行流體灌注和流動(dòng)；在一個(gè)系統(tǒng)中培養(yǎng)多種細(xì)胞類(lèi)型；優(yōu)化生化梯度；并通過(guò)機(jī)械力刺激細(xì)胞[64,65]。未來(lái)，微流體將進(jìn)一步促進(jìn)組織工程，使科學(xué)家能夠復(fù)制和控制細(xì)胞微環(huán)境中的條件，并利用于新興的類(lèi)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(guò)在通道內(nèi)精細(xì)施加流體流動(dòng)來(lái)精確地分布流體壓力。可以設(shè)想，在大體積組織中掌握流體微動(dòng)力學(xué)將確保對(duì)細(xì)胞存活的精細(xì)控制，從而實(shí)現(xiàn)體外長(zhǎng)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(jī)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(jī)器人中的應(yīng)用潛力——組織工程和機(jī)器人的結(jié)合。雖然目前大多數(shù)生物混合機(jī)器人的研究都集中在生物驅(qū)動(dòng)方面，但對(duì)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(yùn)動(dòng)控制的文章 [16,18,19,47] 證明了這一點(diǎn)。

微流體平臺(tái)在細(xì)胞培養(yǎng)方面的敏感性能夠促進(jìn)特定類(lèi)型的細(xì)胞（如神經(jīng)細(xì)胞）和肌肉組織進(jìn)行融合，從而賦予生物驅(qū)動(dòng)相關(guān)功能（如運(yùn)動(dòng)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(guò)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(xì)胞和其它控件連接起來(lái)。例如，通過(guò)芯片，細(xì)胞可以在機(jī)器人中實(shí)現(xiàn)例如水污染檢測(cè)等實(shí)際應(yīng)用。在這種配置中，細(xì)胞可以暴露在環(huán)境液體中，然后進(jìn)行分析。細(xì)胞活力與已知或未知污染物的存在相關(guān)聯(lián)，然后通過(guò)轉(zhuǎn)導(dǎo)信號(hào)（通常是阻抗或基于色譜的響應(yīng)），這樣就允許研究人員評(píng)估水樣的質(zhì)量[72]。

在最近的研究中，蝗蟲(chóng)的鼓室器官被用作聽(tīng)覺(jué)傳感器來(lái)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，提取的組織包括完整的聽(tīng)神經(jīng)，它能夠記錄由聲音觸發(fā)的神經(jīng)活動(dòng)[16]。這種聲學(xué)生物傳感器由機(jī)器人中的微流控芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片配有電極，將聽(tīng)神經(jīng)的電生理反應(yīng)傳遞給機(jī)器人，微流控芯片提供了一個(gè)腔室來(lái)保持生物傳感器的活性并執(zhí)行電生理記錄，證明了機(jī)器人內(nèi)部復(fù)雜組織的可集成性。不久，基于細(xì)胞對(duì)機(jī)械波和負(fù)載的理解，微流控可能會(huì)解鎖聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)感知的技術(shù)實(shí)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(dòng)物身上提取的預(yù)制組織，而是使用細(xì)胞聚集體或是通過(guò)自下而上的組織工程構(gòu)建的組織。通過(guò)這種方式，感覺(jué)細(xì)胞可以根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的圖案，更好地與微芯片的組件相結(jié)合。因此，通過(guò)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(jī)器人的新形式和應(yīng)用成為可能。

生物混合機(jī)器人的一個(gè)未來(lái)期望是擴(kuò)大生物組件，以實(shí)現(xiàn)具有高能量轉(zhuǎn)換效率的大規(guī)模機(jī)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(jī)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(yíng)養(yǎng)到大尺寸組織的細(xì)胞中。此外，也可以開(kāi)發(fā)便攜式微流控系統(tǒng)，它能夠讓細(xì)胞在移動(dòng)機(jī)器人中生存。微流控技術(shù)將如何以及在多大程度上改進(jìn)生物混合機(jī)器人還有待觀察，它可能先從改進(jìn)細(xì)胞組裝開(kāi)始，然后再涉及到更復(fù)雜的機(jī)器人生物模塊的實(shí)現(xiàn)。

圖2：微流控技術(shù)在生物混合機(jī)器人中的可能貢獻(xiàn)。微流控生物混合機(jī)器人將結(jié)合不同類(lèi)型的細(xì)胞，如肌肉和神經(jīng)細(xì)胞。精細(xì)的神經(jīng)支配網(wǎng)絡(luò)將使在多個(gè)陣列中選擇性控制特定的生物驅(qū)動(dòng)器成為可能。微流控技術(shù)可以調(diào)節(jié)細(xì)胞微環(huán)境條件和微制造細(xì)胞載生物材料。這些應(yīng)用將孕育越來(lái)越多用途和性能的生物混合機(jī)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(lái)展望

生物混合機(jī)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(shí)環(huán)境中運(yùn)行的平臺(tái)，就必須解決細(xì)胞壽命、組織制造和機(jī)器人功能方面的幾個(gè)挑戰(zhàn)。

其中一個(gè)主要問(wèn)題是，生命材料需要精確的環(huán)境條件才能生存，特別是，細(xì)胞環(huán)境應(yīng)該能夠有效地進(jìn)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(jìn)生物混合機(jī)器人技術(shù)。精確的微流體調(diào)節(jié)將促進(jìn)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(tái)將使我們能夠刺激細(xì)胞，以增強(qiáng)生物驅(qū)動(dòng)器的組織生長(zhǎng)。微流控技術(shù)更重要的功能是能夠進(jìn)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(huì)給生物混合機(jī)器人帶來(lái)革命，而且會(huì)對(duì)整個(gè)組織工程領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的影響。

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