如何打造你自己的生物机器人？

生物机器人的设计灵感来自于人体内发现的肌腱骨复合物（muscle-tendon-bone complex），它具有 3D 打印的柔性骨架。肌肉组织（橙色）的光学刺激被设计成以收缩的形式响应蓝光，这使得生物机器人能沿光照的方向在表面上行走。

过去几年中，伊利诺伊大学的研究人员对原生生物组织和器官进行了逆向工程——创造了由肌肉细胞驱动、由电脉冲和光脉冲控制的微小行走「生物机器人」。

现在，在 Nature Protocols 的开放访问封面论文《A modular approach to the design, fabrication, and characterization of muscle-powered biological machines》中，研究人员分享了他们的实验报告，其中包含这一代毫米级软生物机器人的工程细节。

使用 3D 打印的骨骼，这些设备将耦合到组织工程骨骼肌致动器（tissue-engineered skeletal muscle actuators），以驱动在 2D 表面上的运动，并且未来可被用于肌肉发育、疾病、高通量药物测试、动态植入等其他应用。

在一个新的设计中，研究人员与麻省理工的光遗传学专家合作，设计了一个光响应骨骼肌细胞系，可以通过蓝光脉冲来刺激收缩。

生物机器人的未来

研究人员预想未来的生物机器人将作为生物建造模块引领未来的机器。生物机器人将拥有多种细胞和组织类型，包括用于感测和处理的神经元网络，以及用于递送营养物和其他生物化学元素的血管网络。它们还可以具有生物材料的一些高级性质，例如自组织和自愈合。

研究强调「例如这些生物复合机的下一代可以被设计成感知化学毒素，然后移向它们，并通过细胞分泌因素将它们中和。这样的功能可以在医学诊断和体内靶向治疗中具有广泛的应用，甚至可以作为清洁公共水源病原体的方法扩展到环境应用，」

生物工程教授 Rashid Bashir（生物机器人研究组的领导）说：「这个报告旨在为世界上任何希望复制我们在 PNAS 2016 和 PNAS 2014 论文中展示结果的科学家提供一站式的参考，并给他们一个构建自己的生物机器人的框架来实现不同应用，」

Bashir 的团队一直是设计和构建小于一厘米的生物机器人的先驱，它们由柔性 3D 打印水凝胶和活细胞制成。2012 年，该小组展示了由大鼠跳动的心脏细胞提供动力、可以自己「行走」的生物机器人。2014 年，他们改为使用电脉冲控制的肌肉细胞，这给研究人员带来前所未有的实现各种功能的控制力。

不要将游泳生物机器人和与使用遥控蟑螂的救援生物机器人混淆。

Bashir 也是 Grainger 杰出工程学主席和生物工程系主任。关于生物机器人的工作在伊利诺伊大学的 Micro + Nanotechnology 实验室进行。

论文：一种用于肌肉动力生物机器的设计、制造和塑造的模块化方法（A modular approach to the design, fabrication, and characterization of muscle-powered biological machines）

摘要：由细胞和生物材料组成的生物机器具有动态地实时感测、处理、响应和适应环境信号的潜力。打造这种机器的第一步，需要能产生力和执行机械工作的生物致动器，我们开发了一种制造模块化骨骼肌致动器的方法，其可以产生高达 1.7mN（3.2kPa）的被动张力、响应外部刺激的 300μN（0.56kPa）主动张力。这种毫米级生物致动器可以耦合到各种 3D 打印的骨架以提供复杂的输出行为，例如可控运动。本文为用于各种设计应用的生物致动器和 3D 打印骨架，提供了一份全面的报告。其中 3D 打印的注射模具和骨骼需要 3 小时，接种肌肉执行器需要 2 小时，分化肌肉需要 7 天。