給一(yi)個活體(ti)(ti)生物軀(qu)體(ti)(ti)注入機械的(de)“大腦”，然后人為節制該(gai)生物的(de)行(xing)動，曾經從科幻片(pian)走入理想(xiang)世界。

克(ke)日(ri)，國際機(ji)器人學術頂刊(kan)ScienceRobotics上最(zui)新(xin)頒發的(de)一(yi)篇新(xin)論文，描寫了(le)一(yi)種用機(ji)械視(shi)覺、運動節制跟導(dao)航等算法取代線(xian)蟲大腦(nao)、周詳操控(kong)活體(ti)線(xian)蟲運動的(de)新(xin)方式，締造出一(yi)個沒有受束(shu)厄局(ju)促的(de)、高度(du)可控(kong)的(de)微型(xing)軟體(ti)機(ji)器人，并將其(qi)定名為(wei)RoboWorm。

該(gai)論文標題為《經由過(guo)程光遺傳(chuan)運動節制娟(juan)秀隱桿線蟲(chong)，實現活的微(wei)型(xing)軟體機(ji)器人》（TowardalivingsoftmicrorobotthroughoptogeneticlocomotioncontrolofCaenorhabditiselegans），由加拿(na)大(da)多(duo)倫(lun)多(duo)大(da)學機(ji)器與工業化學院與Lunenfeld-Tanenbaum研究所協作實現。

“生(sheng)物(wu)本身即最完(wan)美的(de)(de)機器(qi)(qi)人(ren)。”論文(wen)第(di)一作者董先科博士通知智(zhi)器(qi)(qi)材，從機器(qi)(qi)人(ren)學的(de)(de)角度，這(zhe)一研討(tao)相當于做(zuo)了一個微(wei)米標(biao)準的(de)(de)蛇形機器(qi)(qi)人(ren)，只不過用了生(sheng)物(wu)本身的(de)(de)肌肉細胞(bao)作為執行器(qi)(qi)，那使得微(wei)型機器(qi)(qi)人(ren)變得加倍靈活，也(ye)更像真正意思上的(de)(de)機器(qi)(qi)人(ren)。

01.破(po)解(jie)微型機器人的運動控制技術瓶頸

學(xue)習(xi)天然生物的(de)(de)運(yun)(yun)動(dong)是計(ji)(ji)劃微型機器人(ren)最無效的(de)(de)戰略之一。得益于(yu)數百(bai)萬(wan)年的(de)(de)退化，生物們開展了龐(pang)大的(de)(de)身體(ti)布局、高效的(de)(de)能(neng)量(liang)活動(dong)跟進步前輩的(de)(de)運(yun)(yun)動(dong)控制系統，這些(xie)體(ti)系跨越了任何天然機械。這些(xie)生物的(de)(de)特性，為各類(lei)微型機器人(ren)的(de)(de)計(ji)(ji)劃供給了極(ji)大的(de)(de)靈感。

微(wei)型機(ji)器人(ren)范疇正在MEMS技(ji)巧和光刻蝕技(ji)巧的(de)迭代(dai)之下，近(jin)十年去有(you)長足的(de)開展，并慢(man)慢(man)正在靶向(xiang)給(gei)藥(yao)、丈量細(xi)胞器模量、幫(bang)助精(jing)子挪動人(ren)工受孕等(deng)場景測驗考試使用。然(ran)而(er)，與(yu)天然(ran)模子比擬，生物開導的(de)微(wei)型機(ji)器人(ren)的(de)布局(ju)平(ping)常被大幅(fu)簡化，以增(zeng)進微(wei)型機(ji)器人(ren)的(de)制造跟驅動。

是以，這類(lei)微(wei)型機器(qi)人(ren)(ren)的(de)機能沒法與(yu)生物體相(xiang)提(ti)并論。人(ren)(ren)類(lei)若想真正制造尺(chi)寸正在(zai)(zai)數百微(wei)米甚至數微(wei)米的(de)受控微(wei)型機器(qi)人(ren)(ren)，現階段前(qian)提(ti)下(xia)，依然存(cun)在(zai)(zai)諸多技巧(qiao)瓶頸。好(hao)比正在(zai)(zai)工藝方面，次要瓶頸在(zai)(zai)于若何(he)制造裝和配微(wei)型機器(qi)人(ren)(ren)，若何(he)給這么(me)小(xiao)的(de)機器(qi)人(ren)(ren)供(gong)能。

正(zheng)在原理(li)瓶頸方面(mian)，微(wei)米情況里粘滯力(li)(li)跟摩擦力(li)(li)比重力(li)(li)年夜(ye)幾個數量級，用甚么布局(ju)驅動微(wei)型(xing)機器人(ren)運(yun)動，以(yi)(yi)實現(xian)既(ji)定使命。正(zheng)在節(jie)(jie)制方面(mian)，若(ruo)何丈量微(wei)型(xing)機器人(ren)的(de)(de)運(yun)動，組成閉(bi)環(huan)，若(ruo)何對(dui)(dui)這(zhe)么小的(de)(de)機器人(ren)實現(xian)周詳節(jie)(jie)制等(deng)等(deng)，皆是以(yi)(yi)后研討面(mian)對(dui)(dui)的(de)(de)應戰。現(xian)階段學術界開辟的(de)(de)微(wei)型(xing)機器人(ren)機關絕對(dui)(dui)簡(jian)略，多(duo)(duo)為(wei)簡(jian)略的(de)(de)、能間接用光刻蝕技巧加(jia)工的(de)(de)微(wei)結構體，如微(wei)納(na)米磁塊、微(wei)米螺旋體、微(wei)米管等(deng)。操控(kong)性跟功(gong)用多(duo)(duo)數比力(li)(li)有限。

而(er)若是布(bu)局(ju)過于龐(pang)大，正在(zai)微(wei)米(mi)標準下(xia)，它們即便(bian)可(ke)能加工出來(lai)也(ye)很易拆(chai)卸。針對(dui)這些(xie)瓶頸(jing)問題(ti)，此次正在(zai)ScienceRobotics上(shang)頒發的(de)新(xin)論(lun)文，提出了一(yi)種相稱有“腦洞”的(de)解決(jue)方案(an)：用機(ji)械視覺、運動節制跟導航算(suan)法(fa)替(ti)換生物(wu)的(de)大腦，重構生物(wu)的(de)感官運動體系，人為(wei)節制活(huo)體生物(wu)的(de)運動，間接(jie)將(jiang)微(wei)米(mi)級(ji)生物(wu)開(kai)辟(pi)為(wei)受控(kong)微(wei)型機(ji)器人，以實現微(wei)米(mi)情況下(xia)的(de)特定使命。

02.聯合(he)機械視覺(jue)算法，周詳節制(zhi)活(huo)體(ti)(ti)線(xian)(xian)蟲這項(xiang)研(yan)討(tao)取舍的生(sheng)(sheng)物工具是娟秀(xiu)隱(yin)桿線(xian)(xian)蟲。娟秀(xiu)隱(yin)桿線(xian)(xian)蟲是生(sheng)(sheng)物學中(zhong)獨一一個(ge)神經元毗鄰映(ying)射圖被完(wan)整展(zhan)現的模子生(sheng)(sheng)物，身體(ti)(ti)通明，成年(nian)體(ti)(ti)長度(du)約1毫米，寬度(du)約80微(wei)米，身體(ti)(ti)里一共302個(ge)神經元。對(dui)于娟秀(xiu)隱(yin)桿線(xian)(xian)蟲的研(yan)討(tao)離別正在年(nian)發生(sheng)(sheng)了(le)三個(ge)諾貝(bei)爾獎。

作為一種軟體(ti)生(sheng)(sheng)物(wu)，線蟲(chong)的(de)(de)(de)身體(ti)每一個處所皆(jie)能蜿(wan)蜒，擁(yong)有無(wu)限自由度。近年來，跟著(zhu)人(ren)工神經網絡的(de)(de)(de)開展，人(ren)們(men)對生(sheng)(sheng)物(wu)本體(ti)的(de)(de)(de)神經系統旌旗燈號傳送(song)處置懲(cheng)罰(fa)的(de)(de)(de)機(ji)理(li)分析有更(geng)火急(ji)的(de)(de)(de)需要。娟秀隱桿線蟲(chong)也成(cheng)為神經生(sheng)(sheng)物(wu)學以至人(ren)工智能學科的(de)(de)(de)研討熱(re)點(dian)之(zhi)一。經由過程一系列生(sheng)(sheng)物(wu)化學和工程手腕，該研討將活的(de)(de)(de)線蟲(chong)釀(niang)成(cheng)了可以人(ren)為周詳節(jie)制的(de)(de)(de)微型(xing)機(ji)器(qi)人(ren)。

起首(shou)，研究者用化學方(fang)式阻斷了線(xian)蟲的(de)運(yun)(yun)動(dong)神經元與肌(ji)肉細胞組(zu)的(de)信息(xi)傳送，將線(xian)蟲的(de)神經系統臨時麻醉，使得現場依然(ran)是活的(de)，但它(ta)的(de)大(da)腦沒法向肌(ji)肉轉(zhuan)達運(yun)(yun)動(dong)指令，即(ji)無(wu)法控制(zhi)自身運(yun)(yun)動(dong)。

然后，經由過程機械視覺(jue)算法及時(shi)剖析(xi)線(xian)蟲(chong)(chong)的(de)(de)(de)形態跟周圍的(de)(de)(de)情況，剖析(xi)成果，正在進一步建模跟控制(zhi)算法綜合之后，用光(guang)(guang)遺傳學的(de)(de)(de)方式，支配微(wei)米激光(guang)(guang)束(shu)周詳協調控制(zhi)肌肉(rou)細胞組(zu)群的(de)(de)(de)舉止，實現線(xian)蟲(chong)(chong)整體的(de)(de)(de)閉環運(yun)動節制(zhi)。從而用算法取代線(xian)蟲(chong)(chong)的(de)(de)(de)“大腦”，重構線(xian)蟲(chong)(chong)感官運(yun)動系統對(dui)身體的(de)(de)(de)節制(zhi)。

詳細(xi)而(er)言，思(si)量到照明光(guang)強、顯微(wei)鏡聚焦(jiao)形態(tai)(tai)、蟲子巨細(xi)等滋擾因素(su)，研討(tao)職員收羅(luo)了幾千張天然形態(tai)(tai)的(de)蟲子接(jie)連匍匐的(de)照片，正在此基礎(chu)上(shang)計劃機械視覺算法。據董先(xian)科先(xian)容，該算法正在平(ping)凡的(de)筆記本電腦上(shang)也能實現50fps的(de)速率，相關代碼已(yi)公然。

然后，控制算法(fa)會(hui)依據機械視覺算法(fa)丈量的(de)(de)物理形態，計較以后時辰須要(yao)用多(duo)大的(de)(de)激(ji)光強度，去激(ji)活或抑止(zhi)哪(na)組(zu)肌肉(rou)細(xi)胞，從(cong)而支配線(xian)蟲向設定的(de)(de)地位挪動。為(wei)了周詳(xiang)的(de)(de)協調控制肌肉(rou)膨脹，須要(yao)激(ji)光束(shu)有細(xi)胞級的(de)(de)精度。為(wei)此，研討職員(yuan)改裝(zhuang)了一臺顛倒顯微鏡，而且正(zheng)在(zai)下面(mian)搭(da)建了一個激(ji)光投(tou)影體系。

該體(ti)系用數字微(wei)(wei)型(xing)器件(jian)DMD反(fan)射(she)473nm的藍色(se)激光束(shu)，搭(da)建一些光學(xue)元件(jian)讓激光束(shu)透過顯微(wei)(wei)鏡物鏡縮小上百倍，然后聚焦(jiao)正在(zai)線蟲身上，最初經由(you)過程(cheng)(cheng)給DMD編程(cheng)(cheng)去節制激活或抑(yi)止哪(na)些肌肉細胞。現階段(duan)這個體(ti)系可(ke)能(neng)到(dao)達3微(wei)(wei)米的投影精度，根本可(ke)以實(shi)現對單個肌肉細胞的光遺(yi)傳學(xue)操控。

研究者(zhe)正在這類人(ren)為改革的(de)活體機器人(ren)上，計(ji)劃算法(fa)實現了(le)線(xian)蟲(chong)正在天然形態下(xia)被(bei)窺察到的(de)一(yi)切(qie)五種運(yun)動形式，并付與了(le)天然形態下(xia)線(xian)蟲(chong)不的(de)“全局視覺”：經由過程運(yun)動節制(zhi)跟導航算法(fa)，周詳支配(pei)線(xian)蟲(chong)機器人(ren)避(bi)障，一(yi)次性經由過程迷(mi)宮(gong)。

03.為新型蛇形機器人研討供給新思路(lu)

論文第(di)(di)一(yi)(yi)作者董(dong)先科是(shi)一(yi)(yi)名(ming)(ming)90后青年(nian)學(xue)(xue)者，2012年(nian)正在哈(ha)爾(er)濱工業大(da)學(xue)(xue)航天學(xue)(xue)院自(zi)(zi)動化專業實(shi)現本科學(xue)(xue)習，2014-2019年(nian)正在加拿(na)大(da)麥吉爾(er)大(da)學(xue)(xue)機(ji)(ji)器工程系(xi)取得(de)博士學(xue)(xue)位，主攻機(ji)(ji)械視(shi)覺、微(wei)型機(ji)(ji)器人，和(he)機(ji)(ji)器人周詳操縱研討標(biao)的(de)(de)目的(de)(de)。自(zi)(zi)2019年(nian)至今，董(dong)先科正在加拿(na)大(da)多倫多一(yi)(yi)家(jia)科技(ji)公司(si)任算法(fa)研發工程師，擔任嵌入式高幀率(lv)眼光跟蹤體系(xi)的(de)(de)算法(fa)開辟，和(he)正在醫療AR跟幫助駕駛場景(jing)的(de)(de)使用。此前他曾以第(di)(di)一(yi)(yi)作者身份(fen)取得(de)機(ji)(ji)器人范疇頂級學(xue)(xue)術會(hui)(hui)議ICRA2015的(de)(de)最好(hao)集會(hui)(hui)論文提名(ming)(ming)獎(jiang)跟最好(hao)自(zi)(zi)動化論文提名(ming)(ming)獎(jiang)。

他先容講，微(wei)(wei)米(mi)情況(kuang)下，因(yin)為物(wu)理定(ding)律的(de)(de)(de)標準縮(suo)小(xiao)效(xiao)應，粘滯力(li)跟(gen)摩(mo)擦力(li)比重力(li)要年(nian)夜幾(ji)個數量(liang)級。是(shi)以微(wei)(wei)米(mi)情況(kuang)下的(de)(de)(de)自主運(yun)(yun)動(dong)形(xing)式(shi)(shi)，好比細菌的(de)(de)(de)鞭(bian)毛運(yun)(yun)動(dong)、精子的(de)(de)(de)泅(qiu)水運(yun)(yun)動(dong)、線蟲的(de)(de)(de)蛇(she)形(xing)運(yun)(yun)動(dong)等，與一樣平常微(wei)(wei)觀運(yun)(yun)動(dong)形(xing)式(shi)(shi)有很大(da)區別。生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)擁有靈活的(de)(de)(de)身體跟(gen)對情況(kuang)的(de)(de)(de)高度(du)順(shun)應，存在靠得住(zhu)跟(gen)高效(xiao)的(de)(de)(de)自然(ran)屬性。將微(wei)(wei)米(mi)情況(kuang)里生(sheng)(sheng)(sheng)涯的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)改革為微(wei)(wei)型機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)，是(shi)微(wei)(wei)型機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)范疇的(de)(de)(de)全新思緒，也對往后天然(ran)微(wei)(wei)型機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)供給了前瞻性研討。

現階段狹義蛇(she)(she)(she)形(xing)機器人(ren)(ren)的(de)開辟常(chang)常(chang)將其(qi)等價為串(chuan)連(lian)桿件模(mo)子(zi)，用拉格朗驲方(fang)(fang)程停止(zhi)剛體建模(mo)。但這(zhe)類傳統方(fang)(fang)式(shi)疏忽了機器人(ren)(ren)跟情況龐大(da)的(de)力(li)學(xue)交互，是以蛇(she)(she)(she)形(xing)機器人(ren)(ren)運(yun)動速率跟服從常(chang)常(chang)不(bu)高(gao)。本文經(jing)由(you)過程建模(mo)仿真和一系(xi)列試驗(yan)，展現了線(xian)蟲正在蛇(she)(she)(she)形(xing)運(yun)動進程中肌肉的(de)活性部位與(yu)身體的(de)曲率之間存在相位差，并從實際跟試驗(yan)兩方(fang)(fang)面驗(yan)證了此(ci)相位差是驅動線(xian)蟲蛇(she)(she)(she)形(xing)匍匐(fu)的(de)運(yun)動形(xing)式(shi)的(de)緣故原(yuan)由(you)。該結果(guo)對新型蛇(she)(she)(she)形(xing)機器人(ren)(ren)的(de)計劃建模(mo)與(yu)節制有緊(jin)張的(de)指導(dao)意義。

最初(chu)，本文(wen)樹(shu)模(mo)了(le)用微米(mi)(mi)激光束周詳(xiang)操控肌肉細胞(bao)活性的試驗。此方式(shi)對其他生物癱瘓(huan)疾病(bing)的醫治也有啟迪意(yi)思。正在這項研討(tao)中，研討(tao)團隊(dui)做了(le)良多(duo)根底的動力學研討(tao)，研討(tao)微米(mi)(mi)下的“蛇”若何蠕動。大概未來某(mou)一天(tian)能以此為(wei)根底，做出天(tian)然的微米(mi)(mi)蛇形機器(qi)人(ren)，將(jiang)之放(fang)到人(ren)的血管或(huo)許消化道里為(wei)人(ren)治病(bing)。

董先科道，他接下來的(de)研討籌劃是進(jin)一(yi)步計劃尺寸稍大的(de)天(tian)然(ran)蛇形機器(qi)人(ren)，然(ran)后用此刻做(zuo)出來的(de)模子(zi)停止節制，由于更多(duo)地思量(liang)到了機器(qi)人(ren)跟情況(kuang)的(de)力(li)學交互，料想能夠晉升(sheng)良(liang)多(duo)方(fang)面的(de)機能。另一(yi)方(fang)面，這個(ge)線蟲(chong)機器(qi)人(ren)可以作(zuo)為一(yi)個(ge)研討線蟲(chong)神經(jing)學的(de)極佳平臺(tai)，好比研討這個(ge)只有302個(ge)神經(jing)元的(de)模子(zi)生物(wu)(wu)有無習(xi)慣性影象(xiang)，或許怎樣組成習(xi)慣性影象(xiang)。據他泄漏，有一(yi)些與線蟲(chong)生物(wu)(wu)學家協作(zuo)的(de)課題正在展開。

04.結語：或開(kai)導(dao)線蟲神(shen)經學及微型機器人(ren)相(xiang)關研討

因為生物神經(jing)系統的(de)(de)(de)工程或從(cong)頭計(ji)劃存(cun)在(zai)挑戰性(xing)(xing)，再加上缺乏(fa)精確描寫生物行動的(de)(de)(de)生物力(li)學(xue)模子，大(da)多數生物混(hun)淆微型機(ji)器(qi)人的(de)(de)(de)計(ji)劃僅波及簡略的(de)(de)(de)生物組(zu)件，沒(mei)有具(ju)有正在(zai)運動時代(dai)調(diao)和(he)這(zhe)(zhe)些驅動組(zu)件的(de)(de)(de)身體(ti)級智(zhi)能。整體(ti)來(lai)看(kan)，這(zhe)(zhe)項將活(huo)(huo)線(xian)蟲轉化(hua)為微型軟體(ti)機(ji)器(qi)人的(de)(de)(de)新研(yan)討(tao)(tao)(tao)，為娟(juan)秀(xiu)隱桿線(xian)蟲及其他線(xian)蟲的(de)(de)(de)神經(jing)學(xue)研(yan)討(tao)(tao)(tao)供給了一個極佳的(de)(de)(de)平臺，亦對微米(mi)標準下(xia)機(ji)器(qi)人的(de)(de)(de)開(kai)辟亦供給了開(kai)創性(xing)(xing)的(de)(de)(de)思緒。聯合(he)肌肉活(huo)(huo)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)熒光成像，該研(yan)討(tao)(tao)(tao)借對微米(mi)標準下(xia)蛇形運動的(de)(de)(de)動力(li)學(xue)研(yan)討(tao)(tao)(tao)有樹模意思。