生物机器人编辑本段回目录
在美国哈佛大学一间实验室的四楼， 费因伯格（ A d a mFeinberg）正借助一个低倍显微镜，用一把手术刀从一块薄薄的聚合体上切出一个个三角体和矩形体。各个三角体和矩形体上都覆盖着一层单个细胞厚度的心脏组织，肉眼无法看到。费因伯格将盛有三角体和矩形体的有盖培养皿连接到一个心脏起搏器上。这时里面的组织便开始有节奏地收缩，那些三角体和矩形体也开始活动起来了。一会儿扭曲，一会夹紧，有的甚至在溶液中游动起来。
Biorobots这些“肌肉薄膜”只有几毫米长、30微米厚，乍一看像是一条条在泥坑中扭动的小虫子。该实验室主管兼生物医学工程教授帕克（Kevin Kit Parker）开玩笑地说，将来退休了，干脆回南方老家，开个饵食店，把它们当做可订制的饵食来售卖。
但该实验具有绝对的严肃性。将来，这一块块抽动着的组织可能会用在植入体内的微小机器人器件上，充当致动器。肌肉细胞可以由体内的血糖来补给能量，并借助维持心脏跳动的修复原理来维持生命。帕克表示，这种上面覆盖着肌肉的薄膜还可令心脏病患者的受损组织再生，但这类应用尚待时日。短期内，这种器件可用于帮助研究人员监视实验药物如何改变心脏肌肉的行为。
印出新组织
这并非研究人员首次在培养皿中培养出可以跳动的心脏肌肉。但帕克及帕克实验室博士后研究员费因伯格发现了一套方法，它能创建出与天然心脏组织收缩力量相同的组织，从而使心脏更有力地跳动。
制造这种器件时，我们先要采用哈佛大学化学家们开发的生物印刷技术，借助显微镜将蛋白质放在各种生物表体上。帕克和费因伯格用这种方法将心脏细胞精密地融入到各工作组织中。
操作过程没什么特别的。在无菌实验室的排风柜内，费因伯格把几大块透明的硅印章放进有盖培养皿中。这几块硅印章是印模，上面有细微线条组成的阵列图案。图案的制做采用类似生产微芯片的技术，将印模压制到蚀刻的硅晶片上。费因伯格在每个印模上注入一种透明的“墨”，当中含一种称为“纤维粘连蛋白”（Fibronectin）的普通蛋白质。印模变干后，便形成了一层薄蛋白。费因伯格用镊子夹着印模，将它压到一个圆形的硅涂层玻璃盖片上，把培养出来、用显微镜才能看见的蛋白图案转移到硅膜上。
蛋白图案印好后，费因伯格将盖片浸入一种仍在发育的鼠心脏幼细胞溶液中。细胞开始附在纤维粘连蛋白上，形成有序线条。然后，费因伯格将细胞和仍浸在溶液中的蛋白图案盖片放入设定为体温的培养器中。之后几天中，纤维粘连蛋白线条引导着细胞的形成和进一步发育。在细胞的引导下，长形的纤维状可收缩个体开始形成，与蛋白线条并行排列。如果它们不这么排列，细胞收缩时就不向同一个方向牵引，而是相互厮杀。这些排列好的细胞全部都沿同一轴向收缩，跟天然心脏组织非常类似。
费因伯格从培养器中取出新长成的组织时，新组织及印有新组织的硅膜就被刚性玻璃盖片固定住了。但冷却后，把硅固定在玻璃上的热敏胶开始溶解。费因伯格须在几分钟内切好相应形状，之后硅和组织便自由漂浮起来。完成这项步骤之后，心脏组织便可以收缩，而心脏组织附着的膜也开始弯曲和扭动。
目前，费因伯格已初步制成了泵、可扭动的致动器、钳子，以及分别可以在在有盖培养皿底部漂浮和移动的两个器件。沿着细胞线条把切成把薄膜切成长矩形条，每次收缩时，它就会卷曲起来。而另一个与细胞切成斜角的矩形条则盘绕成螺旋体。一个三角体薄膜的狭小“尾巴”可以推动它穿过溶液。这些器件的动作可以利用起搏器控制，与天然心脏的行为类似。费因伯格将电导线挂到盛着器件的小平皿中。一阵阵低压电流穿过溶液，指挥肌肉收缩。
药物作用下的肌肉
要测量药物对心脏组织的疗效，其中一种实际的方法就是测出治疗组织的收缩力有多大。因此，短期内可能最实用的器件也是一种最简单的器件，就是伴随每次电脉冲而略显弯曲的组织构成的矩形体。这些器件可用来筛选对心脏有疗效的药物，还可以鉴别出对心脏可能产生副作用的药物。
由于硅的机械特性我们已十分清楚，因此，我们可以先测出矩形体的弯曲度，然后再准确地测出心脏组织产生的力量。若观察到细胞产生的力量有了变化，说明药物在发挥作用。帕克构思了一种小槽测试系统，每个小槽内都含有一些条型的硅和心脏肌肉。这个系统可用来测量不同化合物或浓度不同的同一化合物对心脏组织机能的疗效。该系
统甚至还可以实现自动化。费因伯格已开发出了分析条形体影像、计算组织施力大小的软件。
迄今，科研人员使用的还只是鼠细胞。最终，他们仍希望用人类细胞造出筛选的工具，其方法可能是先培养出干细胞，然后再耐心培育成心脏细胞。他们还希望用肌肉细胞造出进入血管的类似系统，以测试治疗高血压等药物的疗效。如果用于其他领域，该器件的大小就必须调整，例如，大的用于可植入机器人，小的则用于帮助修补心脏。
最终，本技术还必须简洁，这样就能适应一系列的应用范围。正如帕克所说：“我们将简化这一技术，使之易学、易用，并能在诊所内轻易地配置。（作者：布里斯（Kevin Bullis） ）
作者布里斯是《科技商机》纳米技术及材料科学编辑。
生物机器人的研究现状及其未来发展编辑本段回目录
郭策1 , 戴振东1 , 孙久荣2
(1. 南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所, 江苏南京 210016; 2. 北京大学生命科学学院, 北京100871)
摘 要: 介绍了生物机器人与一般仿生机器人相比的主要优点及其应用前景,对国内外生物机器人的研制工作做了综述,并对未来的研究方向和工作重点作出了展望.
关键词: 生物机器人; 运动制导; 神经控制; 电极刺激
Biorobots中图分类号: TP24 文献标识码: B
Current Status and Prospect of Research on Biorobots
GUO Ce1 , DA I Zhen2dong1 , SUN J iu2rong2
(1. Institute of B io2inspired S tructure and Surface Engineering, N anjing University of Aeronautics and Astronautics, N anjing 210016, China;
2. College of L ife Sciences, Peking University, B eijing 100871, China)
Abstract: The app lication p rospects and the main merits of bio2robots compared with biomimetic robots are introduced.
With the discussion of the current status at home and abroad, the develop ing directions and emphasis of the research are
forecasted.
Keywords: bio2robot; motion guidance; neuro2control; electrode stimulation
1 引言( In troduction)
生物机器人是指利用动物体的运动机能、动力供应体制,从动物运动的感受传入或神经支配入手,实现对动物的运动和某些行为的人为控制,从而利用动物特长代替人类完成人所不能和人所不敢的特殊任务. 利用生物控制技术研制生物机器人始于上世纪90年代,是电子信息技术、微制造技术和生物科学高度发展与相互融合的产物,是目前科技发展最
活跃的领域之一.
自从仿生机器人诞生以来,对工业生产、民用事业和国防科技等各方面都产生了深远的影响. 而生物机器人在能源供给、运动灵活性、隐蔽性、机动性和适应性方面较机器人(或仿生机器人)具有更明显的优势. 因而,可广泛应用在反恐、侦查、定点清除、危险环境搜救以及狭小空间检测等各方面. 目前,世界上许多发达国家都纷纷投入了大量人力、物力、财力开展生物机器人的研制工作, 如日本政府早在1995年就决定投入500万美元,资助日本东京大学
的Isao Shimoyama教授研究蟑螂的生物控制技术[ 1 ] .
另据最新报道,美国DARPA (国防部高级研究计划局)目前决定投资2400万美元,资助美国国内6大实验室以老鼠、猿猴为研究对象,进行有控制的生物系统计划( the Controlled B iological Systems Pro2gram) [ 2 ] .
2 生物机器人的应用前景( Applica tion pros2pect of b io2robots)
2. 1 反恐安全方面的需求
9. 11事件之后世界各国均面临反恐斗争的严峻挑战. 随着我国在国际事务中地位的不断提升,未来我国反恐安全的需要更加迫切. 因此,包括我国在内的世界各国在反恐装备研制方面均给予了高度重视. 目前,从生物体系获得灵感,研制微小型生物机器人,解决反恐面临的问题已成为国内外的研究热点,利用这种生物机器人可以追踪、监视恐怖分子的
活动和预警,必要时还可先发制人,遏制恐怖企图,解救人质.
3 基金项目:国家863计划资助项目(2002AA423230) ;国家自然基金资助项目(90205014) ;国家青年科学基金资助项目(30400086) .
收稿日期: 2004 - 05 - 15
2. 2 安全保卫方面的需求
目前针对V IP (非常重要人员)的安全保卫,需要对其活动的场所及其周边的各种可能通道做出检查. 其中狭小空间的检测多数选用身材瘦小的侦察员来完成. 这种方法对人员素质要求高、而且工作环境恶劣、效率低. 而生物机器人体形小,速度快,可以方便地代替人类完成狭小空间(如大楼管道系统、中央空调的管道系统等)侦查任务.
2. 3 从事复杂危险环境下搜救的需求
对复杂危险环境(如倒塌建筑物内)的搜救,目前广泛使用搜救狗、机器蛇和光纤软管. 与之对比,生物机器人能够在各种几何表面和更加狭小的空间实现无障碍运动,速度快,成效显著. 因此,具有更大的优势. 最近湖南的衡阳大火如果能够尽早发现消防队员的位置,就会为及时营救争取到宝贵的时间.
2. 4 狭小空间内工业表面的状态检测需求
据了解我国现有各类管道13340km,未来几年我国的油田集输、高压长输、中压配送3类管道的长度增加到8 万～ 10 万km[ 3 ] . 如何完成如此浩大工程的管道检修任务,是我国工程人员亟需解决的难题.而生物机器人作为目前采用的管道机器人的重要补充,在管道狭小、空间受限制时,以及在转角、直径较小的管道和非圆管道应用中具有明显的优势. 因此,此类机器人在狭小空间检测,管道或大楼空调系统检修等业务中具有广泛的应用市场.
2. 5 在人体康复上的应用需求
传统的运动功能障碍的康复手段,都需要病人有一定程度的自主运动控制能力,因此,对那些完全瘫痪的病人是不适用的. 现在如果采用脑—机接口技术,即利用人脑信号直接控制外部设备,就可以帮助神经肌肉系统瘫痪的病人实现与外界的交流(如环境控制、轮椅控制、操作计算机等). 这种技术还可以用于控制康复机器人,帮助运动障碍患者进行康
复训练,以减小治疗人员的工作量,保证康复方案的执行质量.
3 国内外生物机器人的研究概况( The gen2
era l situa tion of the study of b io2robots a thome and abroad)
生物机器人的研制始于上世纪90年代,只有10多年的历史,然而,生物机器人的研究工作进展迅速,特别是美国、日本等发达国家的研究工作走在世界前列. 目前,国内外许多学者正从事这一领域的研究工作,生物机器人已成为机器人技术领域的主要
研究方向之一.
3. 1 生物蟑螂机器人
蟑螂,体态娇小,无处不在. 被科学家称为天才逃亡者,其爬行速度约为0. 9m / s,在一秒钟内改变运动方向可达25次[ 4 ] . 如果利用蟑螂的这种特长在复杂危险的灾难环境中搜索营救遇难者,无疑将成为救援人员的得力助手. 此外,蟑螂的这种特性还可用于军事上的情报搜集. 日本东京大学的Isao Shimoy2ama教授从上世纪90年代初开始研究蟑螂的生物控制技术,科学家们选择体态最大、负重能力最强的美洲蟑螂做为实验对象[ 5～9 ] . 图1是实验装置原理图.
图1 蟑螂运动行为实验装置图[ 5 ]
Fig. 1 Experimental set2up for cockroachpsmovements and behaviors[ 5 ]
实验装置主要由轻质聚苯乙烯泡沫球、光编码器、微处理器和计算机等组成,微处理器与计算机之间可实现双向数据传递. 蟑螂被固定在球体上,刺激电极安放在蟑螂的探须和尾须处,在球体的下方和侧面安放编码器,由编码器记录球体在两个平面的转动,即蟑螂前行和转向的运动量,通过微处理器解码,将数据传输到计算机中进行数据处理和存储. 然后计算机再发出刺激命令,由蟑螂体上的刺激发生器产生刺激电流,使蟑螂产生运动行为. 改变电刺激强度和电极安放位置,就可以得到蟑螂不同的运动行为规律. 掌握蟑螂的运动行为规律后,科学家就可以通过遥控信号产生电刺激,再利用传感器的实时信号反馈,实现对蟑螂运动行为的控制,如图2 所示. 控制蟑螂产生特定运动行为的微控制器见图3.目前,科学家们已在实验室初步实现了控制蟑螂沿直线方向运动.
3. 2 老鼠机器人
老鼠能够适应多种环境,尤其擅长夜间活动,人类对其大脑神经系统的研究较早, 1956年科学家就188 机 器 人2005年3月
发现在老鼠的大脑中存在一个快感片区,刺激该片区会令老鼠重复某一特定动作. 利用这个特点,人类有可能对老鼠的运动实现人工控制,令老鼠帮助或代替人类完成某项工作. 如在老鼠身上安装微型摄像机,通过人工控制,它们就可以帮助人类在坍塌的
建筑物下面寻找幸存者,为不幸者带来万幸. 图2 实现人工控制的蟑螂运动行为示例[ 5 ]
Fig. 2 Examp le ofmovements and behaviors of
artificially guided cockroach [ 5 ]
图3 控制蟑螂运动的微处理器[ 6 ]
Fig. 3 Microp rocessor app lied to control
movement of the cockroach[ 6 ]
据2002 年的《自然》杂志报道,在美国DARPA
的大力支持下,美国纽约州立大学的Sanjiv Talwar博
士领导的科研小组已成功实现了人工制导老鼠的各
种运动行为[ 10～16 ] . 科研人员通过在老鼠体上安装微
处理器,在其脑部产生快感的片区和体觉感受皮层
植入电极(见图4) ,在500m外可遥控其完成转弯、
前行、爬树以及跳跃等动作,甚至可以控制老鼠产生
一些有违其习性的运动行为,如暴露在充斥强光的
空间中. 图5是研究人员实验控制老鼠运动行为的
示意图.
由图中可见,老鼠在人工控制下,可以完成爬
梯、穿越狭长面、下阶梯、穿铁环以及走下70°陡峭斜
面等一系列越障碍运动. 研究人员还进一步预言,如
果在老鼠体上配备卫星全球定位系统、微型摄像机
以及传感器等元件,老鼠不但可以帮助营救人员找
寻倒塌建筑物下的遇难者,还可以协助军方扫除地
雷、排除潜在危险或充当间谍等. 图6、图7分别是人
工制导老鼠实现爬树和沿狭长面行走等日常少见的
运动行为.
图4 人工制导的老鼠机器人[ 11 ]
Fig. 4 Artificially guided robot2rat[ 11 ]
图5 人工控制老鼠运动行为的示例[ 12 ]
Fig. 5 Examp les ofmovements and behaviors
of artificially guided rat[ 12 ]
图6 人工遥控老鼠爬树[ 13 ]
Fig. 6 Ratwas guided to climb trees[ 13 ]
3. 3 未来的思维控制机器战士
思维控制机器战士是美国DARPA资助的又一
个研究课题. 由美国杜克大学的神经控制工程中心
第27卷第2期郭策等: 生物机器人的研究现状及其未来发展189
图7 人工遥控老鼠在狭长面上行走[ 12 ]
Fig. 7 Ratwas guided to cross a narrow ledge[ 12 ]
Nicolelis博士主持,其目标是利用生物控制技术研制
用于未来战争的“思维控制机器战士”,即战场上的
机器人由脑内植入电极的士兵进行远距离操控,通
过人的思维来指挥机器战士作战,实现无人战场.
2000年,课题组研究了利用猴子大脑信号操控机器
人手臂抓取食物[ 17～22 ] . 他们首先在猴脑中植入96片
电极,分别安放在包括大脑运动皮层在内的多个脑
区中,然后训练猴子抓取食物,记录猴脑中的电极信
号,并将其输入计算机中进行分析处理,从中识别出
猴子完成抓取食物动作的神经信号模式,在与机器
人手臂相连的计算机上进行编程并按此模式发送信
号,以实现利用猴子思维控制机器人手臂的动作. 科
研人员还进一步实现了在Internet上传输猴子大脑
的神经信号,用于遥控600英里以外的机器人手臂.
目前科学家们正在尝试在猴脑中增加记录电极的数
量,以便控制机械手和其他装置实现更复杂的运动
行为. 如果通过这种方式建立起来的神经模型能达
到一定精度的话,除了军事上的潜在应用外,还会给
身体残疾的人(如脑损伤或脊神经受损者)带来福
音,将来病人有可能绕过神经传导的正常通路,通过
这种神经信号模式直接刺激控制肌肉屈伸的神经,
甩掉假肢带来的不便和束缚. 图8 是猴子思维控制
机器人手臂动作的演示图.
另据BBC新闻报道, 1998年由英国科学家组成
的研究小组已成功地在人体上安装了仿生手臂,这
条手臂通过电刺激可以实现许多假肢手臂无法实现
的生物学功能,包括肩部的运动功能[ 23 ] .
3. 4 壁虎生物机器人
国内许多高校和科研院所在动物机能仿生方面
已经开展了深入的研究工作,如中科院的生物物理
研究所在该领域做出过很好的工作;中国动物研究
图8 猴子思维控制机器人手臂运动演示图[ 22 ]
Fig. 8 Movement of the robo2arm controlled by
the monkeyps thought[ 22 ]
所(北京、昆明)的研究者也在着手动物功能仿生的
研究;清华大学的郑浩峻等人已将动物的运动控制
机理应用于机器人的控制系统,有效提高了机器人
的运动能力[ 24 ] ;上海交通大学的黄恒等人在分析生
物蛇的形体及运动特点的基础上制定了蛇形机器人
的运动策略[ 25 ] ;北京航空航天大学王田苗教授、科学
院自动化研究所和哈尔滨工业大学根据鱼的生理、
运动特性研究了机器鱼的水下推进技术和多仿生鱼
协作系统,已经达到了很高的水平[ 26～31 ] ,等等. 但这
些工作还未涉及生物机器人的研制,为了填补国内
在该领域的研究空白,目前南京航空航天大学的戴
振东教授正领导课题组从事壁虎生物机器人的研制
工作,并在2003年10月的214次香山科学会议“鱼
游动和鸟飞行中的力学和材料”上做了关于“壁虎人
工制导的初步探索”的大会发言,引起与会专家的极
大兴趣和广泛关注. 壁虎在各种表面(地面、墙壁和
天花板)上有着超凡的自如运动的能力,可以实现全
空间无障碍运动. 产自我国广西、云南等地和东南亚
的大壁虎(Gecko gecko)体态大、行动迅速、负重能力
强,适合作为生物机器人的目标对象. 目前课题组已
取得的成果包括:初步探索了壁虎脑对运动控制的
映射关系,表明能够通过对脑区特定部位的电刺激
实现壁虎特定的运动行为;研究了壁虎脊椎及外周
神经的电刺激和壁虎运动行为间的关系:初步确认
了外周神经对肌肉的支配关系并确定了壁虎控制上
肢运动和下肢运动的相应神经;初步观测了壁虎骨
骼、肌肉和神经系统的形态结构,并在浅麻醉状态下
模拟了神经放电活动制导壁虎肢体活动,该课题组
目前正在进一步探索模拟神经放电脉冲的时空编码
顺序.
此外,还有一些国家的研究人员正在研究如何
190 机 器 人2005年3月
将摄像机安装到蝗虫的腹部,通过遥控信号,让其充
当飞行间谍,刺探敌方情报,等等.
4 生物机器人的研制展望( The prospects of
b io2robots)
生物机器人与一般的工业机器人、仿生机器人
相比,有许多突出的优点和它们无法比拟的优越性.
但是由于受到生物学、神经学、MEMS技术、控制技
术、通讯技术、传感技术以及数学方法等相关学科发
展的制约,至今基本上仍处于实验室研制的阶段. 尤
其是在克服生物疲劳性、适应性以及可靠实现预期
运动行为等方面还不是十分理想,离实际应用还有
相当长的一段距离. 此外,生物机器人也不应仅局限
于控制生物的运动行为,还应该研究如何通过生物
的视觉、触觉和听觉来为人类服务. 根据目前国内外
研究现状,未来生物机器人的主攻方向,笔者认为应
包括以下几方面:
4. 1 生物学和神经学的发展
科学家们在研究生物运动行为过程中发现,在
生物体内植入电极后,即使生物可存活较长时间,但
在多次重复刺激后,生物就会产生疲劳效应和适应
性,这不利于执行长线任务. 如在蟑螂体内植入电极
后,控制蟑螂沿直线方向行走时,常常会在后期发生
蟑螂走偏现象.
另外,在控制老鼠运动行为时,科学家们发现,
老鼠出于对危险的本能,在某种条件下,必须加大刺
激强度,才能令老鼠实现某种运动行为;有时,即使
加大刺激强度,也无法达到预期目标.
这些事实表明,人们对生物运动行为的机理了
解得还不十分透彻,还需要进一步探索生物运动系
统的神经控制网络,深入研究生物运动的调控机理.
相信随着生物学和神经学的发展,科学家会找到更
有效的控制策略,从而实现生物运动行为的可靠控
制.
4. 2 MEMS技术和集成技术的发展
受生物体态和生物负重能力的限制,控制生物
运动行为的微控制器有严格的尺寸和重量要求. 在
有限的设计空间内,需要集刺激发生器、传感器、微
型摄像机和电源等元器件于一体. 在制备和植入微
电极时,要求与神经纤维接触良好,而与周围组织绝
缘. 这些严格的要求必须得有高度发展的MEMS技
术和集成技术作为基础. 这为MEMS技术的发展提
出了新的课题.
4. 3 控制技术和软件技术的发展
可靠实现生物的运动行为,需要有更复杂、更精
确的控制方法和简约有效的控制算法. 对生物大脑
中多个记录电极产生的大量信息,要做到可视并实
时进行分析、识别和处理,如在试验猴子思维控制机
械手臂的运动时,在猴脑中植入了96片电极,为了实
现更复杂的控制运动行为,科学家们还计划在猴的
大脑中植入多达1000片的记录电极,如此巨大的信
息量的处理,需要先进的计算机技术和软件支持.
4. 4 传感技术的发展
未来的生物机器人需要安装大量传感器,包括
用于收集、传递生物各类感觉, (如视觉、触觉等)的
反馈信息的传感器和生物在执行特殊任务时携带的
温度传感器、气味传感器等一些特殊用途的传感器.
目前市面上出售的传感器精度还很不理想,远远达
不到动物的感觉精度,国外精度高的传感器价格又
非常昂贵. 因此,发展传感器技术是研制开发生物机
器人的基础.
经过35亿年的演化和生存竞争,许多生物有着
人所不及的特殊本领. 未来的生物机器人是人类社
会生活中不可缺少的好帮手,生物机器人的明天会
更加灿烂辉煌.
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作者简介:
郭 策(19712) ,女,博士. 研究领域:仿生机器人,神经控
制和微制造技术.
(上接第186页)
5 结论( Conclusion)
通过大量仿真计算,我们得到如下体会:
(1) 仿真结果说明可将厘米级误差降至毫米
级,说明本文所提的方法可以有效提升Stewart平台
的动态定位精度.
(2) 在实际工程中,可先用文[ 6, 7 ]对铰节点标
定后,再使用本文的方法,可进一步提高动平台的定
位精度.
(3) 本文方法的不足之处在于需时时计算G1、
G2 ,以及雅可比矩阵,导致计算工作量较大,这对实
时控制有影响,需作进一步研究.
参考文献 ( References)
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作者简介:
保 宏(19712) ,男,讲师,在职博士生. 研究领域: 机器
人,柔性机构,机构控制.
段宝岩(19562) ,男,博士,博士生导师. 研究领域:大型天
线结构优化,机器人,机电耦合等.
陈光达(19662) ,男,硕士,副教授. 研究领域:机器人,嵌
入式控制.
192 机 器 人2005年3月
