中科院沈陽自動化研究所等最新綜述：走進類生命機器人的奇妙世界

你想象中的未來機器人是什么樣子？是鋼鐵身軀的機械臂，還是能模仿人類動作的仿生體？

現在，科學家們正在創造一種全新的生命-機器混合體——類生命機器人。這些機器人不是冰冷的金屬造物，而是由活體細胞與人工材料共同構建的“半生命體”，它們既能像生物一樣高效利用能量、自我修復，又能像機器一樣精準執行程序指令。

由于生物與機電系統的深度整合，類生命機器人正在全球范圍內快速發展。不久前，來自中國科學院沈陽自動化研究所、沈陽建筑大學的研究團隊在JCRQ1區期刊Biomimetic Intelligence and Robotics《仿生智能與機器人（英文）》上發表了一篇重要的綜述，不僅對該領域進行了全維度的系統性解析，構建了完整的技術圖譜，更清晰地勾勒了其發展全貌與未來方向。

▍從基礎演示到智能控制：類生命機器人的進化之路

傳統的機器人，無論多么先進，其核心驅動力依然來自電動機、液壓缸或氣壓裝置。這些動力源不僅效率有限，往往還伴隨著動作僵硬、能耗偏高以及對復雜環境適應性不足等問題。而在自然界，經過億萬年進化，生物體早已將能量利用到極致。一塊肌肉，能直接將化學能轉化為機械能，其效率輕松超過50%；一個神經元網絡，能以極低的能耗處理海量信息，并具備強大的學習和適應能力。

于是，一個顛覆性的想法應運而生：何不摒棄傳統的電機，直接讓這些精妙的生命單元成為機器人的“心臟”和“肌肉”？

類生命機器人系統的材料、制造與控制

早在21世紀初，科學家們便邁出了試探性的第一步。早期的探索主要聚焦于“讓生物組件驅動機械”的可行性。科研人員嘗試將肌肉細胞自組裝成微器件，成功實現了簡單的爬行運動，驗證了生物組織作為“驅動器”的潛力。不過，這一階段的機器人只能依賴生物組織的自發運動，比如心肌細胞的節律性收縮，無法對外界刺激做出響應。

隨著光遺傳學、微流控等技術的發展，研究進入了精準控制階段。科研人員通過基因改造讓細胞對光線敏感，再用微型光源刺激，就能精準控制機器人的運動方向和速度。比如一款光控機器人，在藍光刺激下能以1.85毫米/秒的速度游動，還能靈活躲避障礙物。還有團隊開發出無線光控機器人，通過射頻信號驅動內置光源，實現了無需電線的自主行走，速度達到0.83毫米/秒。

類生命機器人的發展概述

如今，該領域已向“智能自主”邁進。科研人員將人工智能技術與生物系統結合，比如用深度學習控制磁驅動微型機器人，使其能自主避開障礙、精準到達靶細胞；通過構建神經-肌肉連接系統，讓機器人能像生物一樣對外界視覺刺激做出反應，實現主動收縮運動。從“被動驅動”到“主動控制”，再到“智能決策”，類生命機器人的進化之路，本質上是生物特性與工程技術的深度協同。

▍構建類生命機器人的核心：來自自然的活體材料

要構建一個類生命機器人，首先要選擇合適的“生命零件”。這些活體材料，決定了它的基本能力與稟賦。

類生命機器人中活體材料的實例

目前應用最廣泛的主要有四種：心肌細胞、骨骼肌細胞、昆蟲肌組織和微生物。心肌細胞的優勢是能自發節律性收縮，無需持續刺激，就像自帶“發動機”，科研人員用它制造的仿生魚，連續活動時間可達108天，相當于3800萬次心跳；骨骼肌細胞可控性則更強，通過電刺激或機械刺激就能調節收縮力度，用它驅動的機器人，最高移動速度能達到2.38毫米/秒；

除了高等動物的細胞，一些更“皮實”的生命形式也進入了科學家的視野。例如，昆蟲的肌組織。與哺乳動物細胞不同，許多昆蟲肌肉能在5°C到35°C的寬溫域內正常工作，且無需苛刻的恒溫培養箱。這為開發能在室溫甚至野外環境下長期工作的類生命機器人打開了大門。已有研究證明，用昆蟲肌肉驅動的微型裝置，在簡單的營養液中就能存活并工作超過三個月。

而在微觀尺度上，整個微生物本身就可以被改造為卓越的“微型機器人”。科學家們通過微納加工，為這些微生物“穿上”可裝載藥物的微結構“背包”，或者為其賦予磁導航能力。于是，我們能看到，在微觀世界里，由精子鞭毛推動的“運輸船”逆著血液流前行；被磁場導引的磁性細菌“艦隊”深入腫瘤組織。它們體積微小，卻可能在未來的人體微創治療和環境監測中扮演巨人般的角色。

▍為生命塑造骨骼：人工材料的巧妙支撐

活細胞是極其精密的，它們需要一個穩固的骨骼、舒適且功能化的環境才能存活、生長并發揮功能。這就輪到各種人工和天然材料大顯身手了。它們如同建筑的骨架，為生命單元提供了結構支撐、生長環境和附著基質。

類生命機器人中人工材料的實例

生物惰性聚合物，例如廣泛使用的聚二甲基硅氧烷（PDMS），因其良好的柔韌性、化學穩定性和易于加工的特性，成為制造微型機器人骨架、關節和流道的首選。它可以被鑄造成極其精細的微觀結構，比如比頭發絲還細的溝槽或通道，用以引導細胞的定向生長或營養液的流動。

水凝膠是一種含有大量水分的三維網絡材料，質地柔軟濕潤，極似天然的細胞外基質。它不僅能作為細胞生長的支架，其本身的性質（如軟硬度、孔隙率）還能被精確調控，以模擬不同的人體組織環境。近年來，智能水凝膠更是大放異彩，它們能對光、溫度、磁場或特定化學物質產生響應，發生形變或改變性質。

最理想的支撐材料，或許就直接來源于生命本身。從組織中提取的生物材料，如膠原蛋白、纖連蛋白、層粘連蛋白等，是構成我們身體細胞外基質的核心成分。當細胞遇到這些材料時，就像回到了最熟悉的故鄉，能迅速識別、附著、伸展，并啟動正常的生理功能。用這些材料制成的支架，生物相容性無與倫比，能最大程度地支持細胞的長時期存活和功能成熟。

▍從藍圖到生命體：如何“制造”一臺類生命機器人？

將活體材料與人工材料結合，構建一個功能完整的類生命機器人，其過程本身就是一門融合了工程學與生物學的精妙藝術。它要求我們不僅懂得設計和組裝，更要懂得“培育”和“生長”。

先進制造技術在類生命機器人中的整合

最基礎也最核心的一步是組織培養。科研人員需要在無菌環境中，模擬生物體內的條件（37℃溫度、特定pH值、5%二氧化碳濃度）培養活體組織。為了讓細胞能夠長成厚實、有力的三維組織而不僅僅是一層薄膜，研究人員們開發了 “微流控灌注”等多種先進方法。微流控技術的加入，還能精準控制營養物質的輸送，解決了大尺寸生物組織因缺氧壞死的難題，讓機器人尺寸突破10毫米限制。

當二維培養不足以實現復雜的三維結構時，3D生物打印便登場了。就像普通3D打印層層堆積材料一樣，3D生物印刷能將細胞、水凝膠等生物材料精準沉積，構建出復雜的三維結構。科研人員已經能用這項技術打印出帶有仿生血管網絡的心肌補片，甚至初步的類器官結構。在類生命機器人領域，3D打印不僅能塑造承載細胞的復雜支架，還能將無線控制電路、柔性電極等電子元件直接封裝集成進去，實現結構與功能的“一站式”制造。

要將生物體的信號與外部世界的控制指令聯通，離不開生物微機電系統（Bio-MEMS）技術。這是微電子技術與生物學的深度交叉。研究人員利用柔性電子材料，制造出薄如蟬翼、可隨組織一起彎曲伸展的微型電極和傳感器陣列。這些柔性器件能與跳動的心肌或收縮的肌肉完美貼合，長期穩定地記錄細胞的電活動，或向細胞傳遞精準的電刺激信號。

▍對話生命：控制類生命機器人的多種語言

擁有了可受控的生物執行器，下一步便是建立與它們溝通的“語言”。科學家們已經發展出了一套豐富多彩的“遙控”手段，各有優劣。

類生命機器人控制方法的示意圖

光遺傳學控制是目前最富潛力的精準遙控術。通過對目標細胞進行基因改造，使其表達一種對特定顏色光敏感的離子通道蛋白。當用相應顏色的光（如藍光）照射時，這些通道便會打開，引發細胞產生動作電位，從而導致肌肉收縮。用這種方法，科學家只需用一束光掃過，就能讓一條裝載了光敏心肌細胞的“機器魚”擺動尾鰭，按預定路線游動。光的開關毫秒之間，控制精度極高，且無需任何物理接觸，對細胞非常友好。

電刺激控制則更為直接，它模擬了生物體內神經支配肌肉的自然方式。通過在培養的肌肉組織附近放置微電極，施加微弱的脈沖電流，便能直接觸發肌肉的同步收縮。通過調節電流的頻率、強度和時序，可以精確控制肌肉收縮的力度、速度和節奏，從而實現機器人行走、抓取等復雜動作序列。

磁場控制有強大的穿透力和無接觸的遠程操控能力。這種方法通常需要先將磁性納米顆粒導入到目標細胞或微生物內部，使其本身具備磁性。隨后，通過外部施加可編程的旋轉或梯度磁場，就能遠程驅動這些“磁化”的生命單元進行定向移動、旋轉或聚集。

化學控制則利用生物組件對特定化學物質的自然響應。許多細菌和細胞能夠感知環境中特定化學物質的濃度梯度，并主動向其趨近（趨化劑）或遠離（趨避劑）。這種方法適合引導機器人在復雜環境中自主導航，但化學物質擴散緩慢，控制精度和響應速度相對較低。

目前，科研人員還在探索多模態協同控制，比如結合磁控和化學控制，先用磁場讓藥物遞送機器人快速接近腫瘤區域，再通過化學信號引導其進入深層組織，實現“高效+精準”的雙重目標。

▍未來圖景：一場從前沿探索到場景應用的躍升

盡管前方仍有諸多挑戰，例如如何為大型類生命機器人構建功能性血管網絡以保證長期存活，如何進一步提升控制的智能化和自主性等，但其展現出的應用前景已足夠令人心潮澎湃。

醫療健康領域，類生命機器人有望帶來范式革命。想象一下，可降解的類生命手術機器人能在完成微創手術后被人體自然吸收；由患者自身細胞構建的“活體”補片，能完美修復受損的心肌或骨骼肌；集成了神經接口的智能義肢，能通過解讀殘留肢體的肌肉電信號，實現如臂使指的操控，甚至能通過傳感器將觸覺、溫度感“反饋”給大腦。

環境修復與監測方面，它們同樣大有可為。成群結隊的類生命機器人可被部署到受污染的水體或土壤中，它們能自主搜尋重金屬、有機污染物或微塑料，并將其富集或降解。具備感知功能的類生命傳感器，可以長期布設在野外，實時監測環境變化，其本身可能就是一個自給自足的小型生態系統。

更進一步，隨著感知與智能的深度整合，未來的類生命機器人可能具備生命系統的學習與適應能力。將三維培養的神經類器官與傳感器陣列結合，或許能誕生出具有基礎感知和決策能力的類生命機器人。它們處理信息的方式將不再是傳統的數字邏輯，而是更接近大腦的模擬、并行、低功耗的方式。

▍結語：重新定義可能的邊界

類生命機器人的研究，遠不止是一項技術進步。它迫使我們重新思考一些根本性的問題：生命與機器的界限究竟在哪里？當我們用細胞作為零件來構建機器時，我們是在創造工具，還是在創造一種新的“生命”形式？

這條探索之路，無疑是漫長而艱辛的，它需要生物學家、機器人專家、材料科學家、臨床醫生和倫理學家前所未有的緊密協作。每一次突破，都不僅僅是技術手冊上新添的一頁，更是人類認知疆域的一次拓展。

在不遠的未來，我們或許將習慣與這些半生命、半機械的伙伴共存。它們可能微小到穿梭于我們的血管之中，守護健康；也可能靈巧到在廢墟的縫隙里穿行，實施救援。它們的力量，源自生命億萬年演變淬煉出的精妙；它們的行動，則由人類智慧賦予的目標所指引。

▍期刊介紹

Biomimetic Intelligence and Robotics（《仿生智能與機器人（英文）》，CN 37-1527/TP，ISSN 2667-3797）是由教育部主管，山東大學主辦，山東大學科技期刊社與科愛聯合出版的國際學術期刊，2019年入選中國科技期刊卓越行動計劃。期刊聚焦仿生學、機器人與人工智能相關領域，接收包括原創研究論文、綜述、短通訊等多種類型的文章，對作者和讀者均免費，首輪審稿周期30天。目前已被ESCI(IF=5.4, JCR Q1區)、EI、Scopus、CSCD、INSPEC、DOAJ和中國科技核心等國內外重要數據庫收錄。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667379725000543#sec2