作者：杨连超，张闯，王瑞乾，张艺伟，谭文君，刘连庆
作者单位：中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室；中国科学院机器人与智能制造创新研究院；中国科学院大学；沈阳理工大学自动化与电气工程学院
类生命机器人是一种由生命系统与机电系统在分子、细胞、组织尺度有机融合而成的新型机器人，具有能量转换效率高、续航时间长、小型化等潜在优点，可为突破传统机器人在驱动、感知、智能等方面所面临的瓶颈提供新的思路。
本文围绕类生命机器人的研究现状，首先根据不同的生命材料（如心肌细胞、骨骼肌细胞、神经-肌肉、昆虫肌肉组织、微生物）对现有类生命机器人进行了系统性的归类与介绍。然后，对类生命机器人常用的非生命材料（如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、水凝胶）、控制方法（如电控制、光控制、化学控制、磁控制）及其应用场景（如微型机器人、芯片实验室、生物医学）进行了详细的讨论。最后，对类生命机器人研究所面临的潜在挑战与可能的发展方向进行了分析与展望。
类生命机器人示意图
常见的类生命机器人控制方法的主要优缺点
亮点论述：
6 挑战与展望
由于类生命机器人具有较大的发展潜力，近些年吸引了国内外众多研究人员的广泛关注，并取得了一系列显著成果，已经在许多领域展现出了巨大的应用前景。然而类生命机器人研究仍处于起步阶段，目前还存在一些亟待解决的挑战，具体如下。
6.1 生命材料的获取、培养与制造
目前类生命机器人研究中常用的生命材料获取方法主要有： 1) 采用完整的生命体(如微生物)；2)分离活体细胞或组织(如心肌细胞、昆虫 DVT、神经组织)；3) 诱导细胞系(如骨骼肌细胞) 或胚胎干细胞分化(如神经组织)。这些生命材料的获取方法存在一定的限制，例如，完整的生命体尺寸可扩展差，适用性有限； 而活体分离的方法需要不断牺牲生命体； 尽管诱导干细胞定向分化有望避免牺牲生命体，但是干细胞分化过程较为复杂、难度大、成本高，且难以保证分化效率。通过诱导成肌细胞分化可以得到骨骼肌细胞，这种细胞系成本相对较低，且获取方便，但同样存在体外分化效率低、收缩力弱等挑战，因此限制了其在类生命机器人研究中的进一步应用。随着生命科学等相关领域的发展，这些问题有望得到进一步解决。
除了在获取方面存在挑战以外，生命材料的培养也面临着诸多瓶颈。以肌细胞为例，尽管研究人员已经提出了多种培养方法，但培养出的肌组织仍无法达到天然肌组织的性能。例如，Nomura 等近期提出了一种具有肌腱结构的模块化肌组织培养方法。相比于其他方法，使用该方法培养出的肌组织在驱动力方面有所提升，但是与天然的肌组织相比仍存在很大差距。其主要原因在于现有的培养技术难以将氧气和营养物质运送到肌组织内部，因此，无法培养出高性能的 3D 肌组织。此外，培养肌细 胞需要严苛的条件以尽可能模拟人体生理环境，这 导致很多类生命机器人无法脱离液体培养基。尽管 研究人员已经开发出了可以在气体环境中操作的类 生命机器人，但复杂的保护装置以及营养物质更换 程序限制了该机器人的进一步应用发展。
由于血液循环系统遍布全身，人体的肌组织能 够得到充分的氧气与营养物质，且其代谢产物可以 及时排放到循环系统中，因此天然肌组织具有较大 的尺寸、较强的性能以及较长的存活时间。受人体血液循环系统的启发，人工血管网络的引入将有望 改善现有的培养条件，实现体外肌肉驱动组织从微 型向宏观的拓展，有效提高生命材料的驱动性能。 此外，利用人工血管网络进行氧气和营养物质输 送，还有望促进可在气体环境中操作的类生命机器 人的发展，突破目前难以脱离液体环境的瓶颈。
良好的可重现性、大规模批量化生产制造是以机电系统为核心的传统机器人的特点之一，而这也是类生命机器人研究目前所面临的关键挑战。其主 要原因在于生命材料难以在批量化生产制造的同时保证一致的尺寸与性能。以骨骼肌细胞为例，尽管已经提出了一些模块化制造方法，但由于成肌细胞与ECM蛋白质等材料的混合比例、空间相对位置 等难以精准控制，因而所制造出的肌组织彼此之间 不可避免地会存在尺寸、肌管数量、收缩性能等差异。3D 生物打印技术有望成为突破上述挑战的有 效途径。通过将支架材料、细胞、细胞生长必备的蛋白质等组合在一起形成“生物墨水”进行定制 化的逐层打印，可以有效减少人为因素的干扰，有 望实现复杂而又精确的生命体结构批量化制造。并且，利用生物打印技术还可以实现多种细胞的混合 打印，从而丰富生命材料的功能，为构建多功能型类生命机器人提供支撑。
6.2 类生命机器人的可控性
尽管已经提出了一些用于类生命机器人运动控制的方法，但现阶段的控制方法大多仅局限于进行 类生命机器人简单的运动展示，难以实现机器人运 动速度、方向或输出力的精准控制。相比之下，传统的机器人则具有较为成熟的控制系统，能够实现 精准且复杂的可控运动。因此亟待开发出新的控制 方法以提高类生命机器人的行为可控性。通过将多 种控制方法组合进行协同控制，有望改善类生命机 器人的受控性能。此外，哺乳动物具有复杂的神经 系统，其运动神经元可以选择性刺激骨骼肌组织， 从而实现机体的灵活复杂运动。近年来，研究人员提出了基于神经－肌肉的类生命机器人研究，尽管相关工作仅处于起步阶段，但是随着对于神经－肌肉驱动控制机理的进一步挖掘，未来有望构建基于神经－肌肉驱动理论模型的控制方法，推动类生命机器人由简单驱动向复杂可控行为迈进。
6.3 类生命机器人的多功能性
现有类生命机器人研究大多以运动功能演示为主，并没有发挥出集驱动、感知、智能等多功能于一身的优势。智能材料，如可变颜色水凝胶的引入，使得类生命机器人在运动的同时，具备了一定的感知能力，根据水凝胶颜色的变化可以直观地判断机器人的速度、活性，从而制定不同的控制策略。此外，多种生命材料的交互共融有望进一步推动多功能型类生命机器人的发展。例如，神经系统可以感知外界刺激，与外界环境进行交互，是机体内对生理功能活动调节起主导作用的系统。神经－肌肉组织的引入有望丰富类生命机器人的功能，提高类生命机器人的性能，推动类生命机器人在多环境、多场景下的实用化发展进程。此外，组织工程、3D 生物打印、 多材料打印等先进技术的进步有望促进类生命机器人领域的发展，创造出更智能的类生命机器人。
