东南大学赵远锦团队Chem. Soc. Rev.：活细胞驱动的生物杂化机器人

【引言】

作为自然界中生物体仿真的对象，目前的软体机器人在模拟生物行为和执行任务方面取得了巨大的成功，得益于灵活性和适应性的优势。通过引入功能元素，软体机器人可以在综合电、热、磁、化学刺激的情况下，获得外部控制下的可控性和多功能性。在软体机器人中，由活细胞和柔性材料结合而成的生物杂化机器人已经能够复制出与生物体相似的器官或组织的结构和功能，这种结合是由于制造技术的进步和组织工程的进步。与传统动力装置相比，生物致动器在固有的柔软性、环境安全性和兼容性、显著的能量转换效率以及集成的传感和控制系统等方面具有优势。生物杂化机器人以具有收缩性能的活组织和具有运动能力的微生物等生物部件为驱动器，结合材料有效的微结构设计，实现了多种类人仿生行为和功能。总的来说，生物杂化机器人可以模拟体内各向异性的微观结构，并表现出与人类相似的组织或器官功能，由于在生物医学领域的巨大潜力而成为一个新的研究方向。

【成果简介】

近日，在南京大学鼓楼医院赵远锦教授、孙凌云教授、中国科学院大学温州研究所叶方富研究员团队等人带领下，与徐州医科大学和中国科学院物理研究所合作，对生物杂交机器人的相关研究进行了全面的综述和总结。在自然界中，生物体表现出了良好的柔软性、极高的能量转换效率以及灵活的尺度，这对于制造新一代机器人具有非凡的启发意义。在这篇综述中，作者讨论了各种生物杂交机器人的最新研究。作者依次介绍了生物杂交机器人的基本部件及其构建过程，包括材料的制造方法及其与活体组织的结合等。随后，通过典型实例，讨论了生物杂交机器人的控制机制及其目前已经实现的运动模式。本文重点介绍了生物杂交机器人在生物医学领域的应用如药物递送和构建器官芯片等。最后，提出了开发新一代生物杂化机器人所面临的一些挑战并展望了其未来的发展前景。该成果以 “Biohybrid robotics with living cell actuation”为题发表在了Chem. Soc. Rev.上。

【图文导读】

图1 心肌细胞驱动的生物杂化机器人

图2 骨骼肌细胞驱动的生物杂化机器人

图3 其他生物致动器驱动的生物杂化机器人

图4 构建生物机器人的PDMS衬底的制造工艺方案

图5 基于各种水凝胶衬底的生物杂化机器人

图6 基于其他功能材料衬底的生物杂化机器人

图7 光信号控制下生物杂化机器人

图8 电脉冲控制下的生物杂化机器人

图9 化学信号控制下的生物杂化机器人

图10 游泳型生物杂化机器人

图11 心肌细胞片驱动的生物混合泵

图12 生物杂化机器人的多种运动模态

图13 生物杂化机器人在药物递送中的应用

图14 生物杂化机器人在生物成像中的应用

图15 生物杂化机器人在器官芯片中的应用

【小结】

在这篇综述中，团队全面总结了生物杂化机器人的最新进展，包括其基本组件的开发、控制方法和初步应用。经过大量研究人员的努力，生物杂化机器人正在经历一场快速而重大的变革，这可能会显著影响到各个领域，包括生物、医学和工程领域。尽管在生物杂化机器人领域已经取得了很大的进展，但仍然存在一些挑战，阻碍了实验室研究解决现实问题的进程。因此，在生物杂化机器人技术的发展过程中，有几个重要的问题需要考虑和解决。首先，需要讨论生物杂化机器人的生物成分。目前，可用的细胞来源过于有限，无法满足日益增长的研究需求。干细胞技术是解决这一问题的有效途径，使用这项技术也可以避免伦理问题和复杂的动物提取过程。虽然相关的干细胞分化方案早在几十年前就已经开发出来了，但目前的成本仍然很高，而且该技术不能满足巨大的市场需求。此外，大多数生物杂化机器人的寿命非常短。生物杂化机器人的运动能力维持时间不能超过几个月，这影响了它们的实际应用价值，而生物可以很好地解决这个问题。因此，有必要寻找能够产生长期细胞培养甚至实现细胞永生的方法。

第二个问题是关于软材料的性能优化。为了保持生物杂化机器人的运动性能，材料应满足良好的生物相容性、稳定性、耐久性和柔性的要求。虽然各种各样的软性材料已被广泛应用于构建生物杂化机器人，但这些材料仍难以有效地提供与生物体相似的诱导细胞定向或分化的环境。考虑到这一点，材料科学和制造技术应该更紧密地结合起来，用生物启发的形态和功能设计来制造更先进的软材料。

第三个问题涉及生物系统的建设。几乎所有的生物杂化机器人都是在液体环境中培养和测试的，这极大地限制了它们的实际应用。尽管人们已经尝试将生物杂化机器人封装在密封的介质中，用于大气运行，但构建的生物杂化机器人系统仅能维持几天的生命力。因此，建立一个与人相似的内置循环系统或仿生血管网络，实现与培养基环境的有效分离，是生物杂化机器人有前景的发展方向之一。此外，还应该将响应元件和人工智能集成到机器人系统中，实现可控甚至自主的行为。在这种情况下，循环过程可以通过光学或电信号干扰来控制，以确保生物杂化机器人的稳定性。

此外，目前的生物杂化机器人大多是为了完成单一功能而设计的。事实上，机器人的发展前景在于构建能够执行有用任务的复杂系统，需要具备多种功能，以适应不同的环境，因此，机器人的发展前景在于构建复杂的系统。在这方面，应研究和开发生物杂化机器人的多功能性。

综上所述，生物杂化机器人表现出卓越的性能，并在广泛的领域中具有实用潜力。未来的工作可能集中在提高生物杂交机器人的性能以及研究其在生物和医学领域的应用。

文献链接：Biohybrid robotics with living cell actuation（Chem. Soc. Rev.，2020，DOI:10.1039/D0CS00120A）

本文由木文韬翻译，材料牛整理编辑。

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