用心肌细胞做一条“人造鱼”

在实验室里，科学家和工程师们创造出的仿生机器人作品不胜枚举，这些人造物步态微妙地模仿着狗、蟑螂、章鱼、蝾螈，或是别的什么生物。而现在，一种听起来更加疯狂的模仿品诞生了——一只硬币大小的迷你人造鳐鱼。来自哈佛大学的凯文·基特·帕克（Kevin Kit Parker）和他的同事们制造出了这只可以在光控制下像鳐鱼一样游动的小家伙，相关论文发表在7月8日的《科学》上，它还登上了当期期刊封面^[1]。

《科学》封面上的人造鳐鱼

这只人造鳐鱼不是生物，但它也不是一般意义上的机器人。某种意义上说，它是“活的”——这是一只由人工材料和大鼠心肌细胞组成的复合体，活的心肌细胞在其中收缩，带来了动力。人造鳐鱼的每一样制作素材看起来都和鳐鱼八竿子打不着，但在光束的控制下，它依然游得有模有样。

动图素材来自：S.-J. Park et al.

别看模样似乎古怪了点，但鳐鱼也是制作游泳机器人的良好样板：它们扁平的身体很稳定，可以有效防止倾斜或是翻转，同时，这种波浪式有序摆动的游泳方式能量效率也相当高。

真鳐鱼的游泳姿态。动图素材来自：S.-J. Park et al.

在研究了真鳐鱼的身体姿态、神经肌肉动力学等之后，研究者们开始了他们的“造鳐”实验。这个人造鳐鱼的结构比真实的生物要简单很多，不过设计上也颇有创意：这只人造鳐鱼结合了透明弹性材料（聚二甲基硅氧烷）组成的身体、金质骨架和一层提供动力的大鼠心肌细胞。这些大鼠心肌细胞经过光遗传学技术改造，它们会表达一种光敏感离子通道，在蓝光的照射下可以激活收缩过程。当这些心肌细胞收缩时，可以带动人造小鳐鱼的身体两侧向下收缩，而向上的运动则依赖身体骨架的弹性进行回弹。

由透明弹性材料、骨架和心肌细胞组成的人造鳐鱼。图片来自原论文

通过组织工程学技术，研究者们在人造鳐鱼中加入了一层有序排列的心肌细胞。不过，这些细胞可以不是简单地铺满了整个平面，而是呈现蛇形排列（见下图）。这样做是为了在从前端激活细胞时，让收缩信号的传递产生更加明显的延迟，形成从前到后波浪式的有序收缩。

为了让肌细胞产生波浪形的有序收缩，研究者们将这些细胞排列成蛇形来增加延迟。上图来自原论文，下图素材来自：Science Magazine

在鳐鱼体内，这样有序的收缩要依靠神经系统来控制，而在这里，研究者们找到了相对简单的模拟方式。实验证明，这种模拟方式的效果确实还不错，近距离观察时，我们能看到人造鳐鱼的身体在光的控制下有序地运动，这也确实推动它持续地向前游动了起来。

近距离观察光刺激下人造鳐鱼的运动。动图素材来自：S.-J. Park et al.

研究者们用两束蓝光脉冲照向人造小鳐鱼的前方来激活它们的运动，并通过光脉冲的频率来加以调节。如果在左右两侧使用频率不同的光，还可以让“鳐鱼”的身体不对称地运动，这样就实现了转向，在光线的引导下，小“鳐鱼”还成功地绕开了各种障碍物。

在不对称光照的作用下实现转弯。动图素材来自：S.-J. Park et al.

在此之前，帕克的研究团队还用类似的思路制造过通过电刺激控制的硅胶水母，这种人造水母同样由弹性材料和心肌细胞组成，而比起水母，人造鳐鱼的复杂性又上了一个新的台阶。不过，研究者们的目标并不仅仅是制造“活体机器人”。帕克表示，他真正的研究兴趣在于研发功能良好的人造生物心脏。通过这些结合细胞组织的人造物，研究者们能更好地理解心肌的运作方式，并学会如何控制它们。（编辑：窗敲雨）

编辑吐槽：如果让标题党来写的话，报道标题或许会是这样：“科学家公然造鳐，其成果竟登上国际顶级期刊”……

参考资料：

1. S.-J. Park, M. Gazzola, K. S. Park, S. Park, V. Di Santo, E. L. Blevins, J. U. Lind, P. H. Campbell, S. Dauth, A. K. Capulli, F. S. Pasqualini, S. Ahn, A. Cho, H. Yuan, B. M. Maoz, R. Vijaykumar, J.-W. Choi, K. Deisseroth, G. V. Lauder, L. Mahadevan, K. K. Parker. Phototactic guidance of a tissue-engineered soft-robotic ray. Science, 2016; 353 (6295): 158 DOI: 10.1126/science.aaf4292
2. http://www.sciencemag.org/news/2016/07/robotic-stingray-powered-light-activated-muscle-cells