哈佛大学科学家制造出半机器半活体细胞魟鱼

《科学》封面文章,哈佛大学科学家制造出半机器半活体细胞魟鱼。

半机器半活体细胞,这只人造刺魟能设法通过障碍区

Kevin Kit Parker 想要制造一颗人类心脏。他年幼的女儿很爱位于波士顿的新英格兰水族馆。最新一期的《科学》发表了一份研究报告,父女两人的爱好以一种难以置信的方式结合起来,创造出了一个奇迹:一只硬币大小的人造刺魟,研究人员用光引导它在水中畅游,动力来自小鼠的心肌肉细胞。

这条「活的(living)」机器人吸收了工程学、细胞文化学、遗传学以及生物力学的先进成果。华盛顿大学的整合生物学家( integrative biologist)Adam Summers 说,「显然,(它)是一项科技壮举。」有些人认为,通过将细胞和人造材料融入一种规律跳动的结构(a pulsating structure)中,这种装置让 Parker 距离他的梦想——制作一颗人类的心脏,更进一步。浙江大学的神经工程师 Keidi Xu 说,「 我们可以想象有这么一天,使用这种技术再造人体各部分。」

Parker 是哈佛大学的应用物理学家,五年前参观水族馆时被水母深深吸引,随后,他开始尝试机器人技术。水母富有节奏的抽吸活动让他想起心跳的律动。Parker 的团队已经能让心肌肉细胞长成硅树脂上的一层薄膜,如果将细胞吸收进水母那样的「泵」中,这些细胞还能继续工作吗?Parker 对此很好奇。

结果他造出了一条「水母似的」——简单人造生物,它由覆盖在一层硅树胶上的心肌肉细胞组成,硅树胶被塑成一个带有皮瓣边的浅杯体。盐糖溶液维持着细胞生命,轻微的电震就能让细胞收缩,改变硅树胶杯体的形状,这样,「水母」就能喷出液体,推动自己穿行于槽液中。Parker 回忆说,「在我看来,这只是个训练练习,」「我正变得越来越善于搭建肌肉泵。」

后来新的尝试灵感也源自一次水族馆之行。当女儿抚摸着一条人造刺魟时,它摇曳着身体的一边,转身离开。Parker 当时就想,「 或许刺魟的转向与心流(heart flow)方式存在相似之处。」因此,他决定沿着生命之树向上走,从水母来到魟鱼(rays),他要增加人造生物的复杂性。

Parker 和女儿比较玻片上的魟鱼机器人和鳐鱼

再一次感谢他的女儿,他想出了一种简单控制新机器人的办法:光。当女儿还在蹒跚学步时,Parker 用激光棒照射地面,让女儿踩着地上的点,以此引导女儿走过人行横道。或许,他的团队可以采用类似的方式,利用人造光线来控制机器人行动:让肌肉细胞以收缩的方式对光做出反应。他们转向光遗传学,寻求解决之道,光遗传学可将引发信号传递的光敏分子注入细胞。Parker 的团队没有方法上的经验,不过,团队里有一位曾经在阿富汗打过仗的中校,在哈佛工作之后,他开始从军方、NIH以及其他机构东拼西凑地筹集资金。Parker 还请一位新博士  Sung-Jin Park 监管这项研究,并自信地预测这是一项会登上《科学》封面的研究。这位博士后回忆说,「我觉得这太疯狂了...不可能实现。」

Parker 预言的实现,历经四年。他和其他人同事分解刺魟,开始研究如何安排肌肉;后来,另一个实验室的同事开始分析肌肉如何在同步波动中驱动鱼鳍,进而推动魟鱼前进。为了模拟魟鱼的基础解剖学结构,Parker 测试了许多软体机器人配置(configuration),最终决定采用这样一种形式:在两层硅树胶之间安置一个多叉金色骨架。

每条富有生气的魟鱼大概需要20万个来自2天大小的鼠胚胎细胞,然后将这些细胞放在硅树胶顶部。硅树胶携带一个由细胞外蛋白(extracellular protein),纤连蛋白( fibronectin)组成的模板,它可以引导细胞长成一种辐射状模式,类似真实鳐鱼的肌肉状态。加州大学的生物工程师 Andrew McCulloch (并未参与这项研究工作)说,为了让心血管细胞能够发挥骨骼肌的功能,这一结构的正确性至关重要。

但是,Parker 的团队并没有严格按照魟鱼的肌肉结构来。位于宾夕法尼亚的西彻斯特大学的生物力学家 Frank Fish 说,「他们抄了近道。」真魟鱼的每个胸鳍中有两组肌肉,反方向向下移动鳍,然后再向上移动鳍。这个 魟鱼机器人只有一组肌肉,向下弯曲鳍;然后靠金色骨架的弹簧作用拉回鳍。

沾染了可以传递编码了光遗传分子开关的基因的病毒,当蓝光照射修改后的心血管细胞时,这些细胞就会收缩。但是,将这种影响翻译成与之一致的行动,还是花费了几个月的时间;光刺激鳍前方,然后让机器人魟鱼前行,这个简单的动作就让 Parker 试了200次。最终,他制作了100多个机器人,并展示了这些机器人可以通过水下障碍场。为了实现转身, Park 用两束光源引导魟鱼 ,其中一束指向每个鳍。通过改变光的频率来加速或减缓肌肉收缩率;通过让一边比另一边更快地击打水面,实现向左或者向右转弯。

魟鱼的速度很慢,约为每小时9米——完全比不上真实魟鱼。即便如此,普林斯顿的力学工程师 Alexander Smits 说,「通盘考虑,这非常了不起。」Fish 曾经帮忙设计过更大的「魔鬼鱼机器人(manta bots)」,这个魔鬼机器人的鱼鳍由硅树胶做成,电控棒和电线驱动鳍的拍打动作。他对这个魟鱼机器人的评价是, 「就机器人技术而言,这是一次重要的飞跃。」他补充说,「我们正靠近生物学与工程学彼此融合的关口。」

不过,前路漫漫。活体-肌肉(live-muscle)机器人在充满营养的溶液中工作,而且溶液温度与老鼠体温差不多;让这些机器人在更加天然的环境中行动是一项挑战,Fish 表示。

而且尚不清楚的是,这一方法是否能产生具有实践意义的机器人,或者 Parker 真正感兴趣的生物人造心脏。位于马里兰州贝塞斯达的国家心、肺以及血液研究院的项目官员 Denis Buxton 说,这个机器人「并非真与心脏特别相关,」尤其是因为其心肌肉细胞 的「运用方式相当不自然。」

不过,对 Parker 及其他人来说,「不自然的方式」是有益的。「心脏是一种中空肌肉,」瑞士苏黎世大学再生医学中心的心血管外科医生 Simon Hoerstrup 解释道,「在这条魟鱼机器人中看到的许多特征,都可以在心脏中找到。」

Parker 既将这条迷你魟鱼机器人视为一件艺术作品,也视为一项技术。「每个人都能从中窥见不同的东西,」他说「我看着它,试图了解心脏——而且它也让我七岁的女儿印象深刻。」

本文选自:科学杂志,作者:Elizabeth Pennisi;机器之心编译

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