給一個活(huo)體生物軀體注入機(ji)械的“大(da)腦”，然后(hou)人為節制(zhi)該生物的行動，曾經從(cong)科幻片走入理想世界(jie)。

克日，國際(ji)機(ji)器人(ren)學(xue)術頂刊ScienceRobotics上最新頒(ban)發(fa)的(de)(de)一(yi)(yi)篇新論文，描寫了一(yi)(yi)種用機(ji)械視覺、運(yun)動節制跟導航等算法取代線蟲大腦、周詳操控活(huo)體線蟲運(yun)動的(de)(de)新方式，締造出一(yi)(yi)個沒有受束厄局促的(de)(de)、高度(du)可控的(de)(de)微(wei)型(xing)軟體機(ji)器人(ren)，并將其定(ding)名(ming)為RoboWorm。

該論文(wen)標(biao)題為《經由(you)過程(cheng)光遺傳運動節制娟(juan)秀(xiu)隱桿線蟲，實(shi)現活的微(wei)型軟體機器人(ren)》（TowardalivingsoftmicrorobotthroughoptogeneticlocomotioncontrolofCaenorhabditiselegans），由(you)加拿(na)大多倫多大學機器與工業化(hua)學院與Lunenfeld-Tanenbaum研(yan)究所協作實(shi)現。

“生物(wu)(wu)本身即最(zui)完美的機(ji)(ji)器人。”論文第一(yi)作者董先科博士通知智器材，從機(ji)(ji)器人學的角度，這一(yi)研討(tao)相(xiang)當(dang)于做了一(yi)個微米標準(zhun)的蛇(she)形(xing)機(ji)(ji)器人，只不(bu)過用了生物(wu)(wu)本身的肌肉細胞作為執(zhi)行(xing)器，那使(shi)得(de)微型(xing)機(ji)(ji)器人變(bian)得(de)加(jia)倍靈活(huo)，也更像(xiang)真正意(yi)思上的機(ji)(ji)器人。

01.破解微型機(ji)器人(ren)的運動控(kong)制技(ji)術瓶頸(jing)

學習(xi)天(tian)然生(sheng)物(wu)的(de)運動(dong)(dong)是(shi)計劃微型機(ji)器人最無效的(de)戰略之一。得(de)益于(yu)數(shu)百萬年的(de)退化，生(sheng)物(wu)們開(kai)展了龐大的(de)身體布(bu)局、高(gao)效的(de)能量活動(dong)(dong)跟進步前輩的(de)運動(dong)(dong)控制系(xi)統，這些(xie)體系(xi)跨越了任何天(tian)然機(ji)械。這些(xie)生(sheng)物(wu)的(de)特性，為各類微型機(ji)器人的(de)計劃供給了極大的(de)靈感。

微型機器人(ren)范(fan)疇正(zheng)在(zai)MEMS技(ji)巧和光刻蝕技(ji)巧的(de)(de)迭代(dai)之下，近十年(nian)去有長足的(de)(de)開展，并慢(man)(man)慢(man)(man)正(zheng)在(zai)靶向給藥、丈量(liang)細胞器模量(liang)、幫(bang)助精子挪(nuo)動人(ren)工受(shou)孕等(deng)場景測驗考試使用。然而(er)，與天然模子比擬，生物開導的(de)(de)微型機器人(ren)的(de)(de)布局(ju)平常被大(da)幅簡(jian)化(hua)，以增進微型機器人(ren)的(de)(de)制造(zao)跟驅動。

是以，這類(lei)微(wei)(wei)型(xing)機器(qi)(qi)人(ren)的(de)機能沒法與生物體相(xiang)提(ti)并論。人(ren)類(lei)若想真正(zheng)(zheng)制造尺寸正(zheng)(zheng)在(zai)(zai)數百微(wei)(wei)米(mi)甚至數微(wei)(wei)米(mi)的(de)受控微(wei)(wei)型(xing)機器(qi)(qi)人(ren)，現階段(duan)前(qian)提(ti)下(xia)，依然存在(zai)(zai)諸多(duo)技巧(qiao)瓶頸。好比正(zheng)(zheng)在(zai)(zai)工藝方面(mian)，次要瓶頸在(zai)(zai)于若何制造裝和配微(wei)(wei)型(xing)機器(qi)(qi)人(ren)，若何給這么小的(de)機器(qi)(qi)人(ren)供(gong)能。

正(zheng)(zheng)在原理瓶頸方面(mian)，微(wei)(wei)(wei)米(mi)情(qing)況里粘滯力(li)跟(gen)摩擦力(li)比(bi)(bi)重力(li)年(nian)夜幾個數量級(ji)，用(yong)甚么(me)布局驅動微(wei)(wei)(wei)型機(ji)(ji)器人運(yun)動，以(yi)實(shi)現既(ji)定(ding)使命。正(zheng)(zheng)在節(jie)(jie)制方面(mian)，若何丈量微(wei)(wei)(wei)型機(ji)(ji)器人的(de)運(yun)動，組成閉環，若何對(dui)這么(me)小(xiao)的(de)機(ji)(ji)器人實(shi)現周(zhou)詳節(jie)(jie)制等(deng)等(deng)，皆是以(yi)后研討面(mian)對(dui)的(de)應戰。現階(jie)段學術界開(kai)辟的(de)微(wei)(wei)(wei)型機(ji)(ji)器人機(ji)(ji)關絕對(dui)簡略，多為簡略的(de)、能(neng)間接用(yong)光刻蝕技巧加工的(de)微(wei)(wei)(wei)結構體，如微(wei)(wei)(wei)納米(mi)磁(ci)塊、微(wei)(wei)(wei)米(mi)螺旋體、微(wei)(wei)(wei)米(mi)管等(deng)。操控性(xing)跟(gen)功用(yong)多數比(bi)(bi)力(li)有限。

而(er)若是(shi)布(bu)局過于龐大(da)，正在微米(mi)(mi)(mi)標準下(xia)，它們即便(bian)可能加工出(chu)來也很易拆卸。針對(dui)這些瓶頸問題，此次正在ScienceRobotics上頒發的(de)新論文，提(ti)出(chu)了一種相稱有“腦(nao)(nao)洞(dong)”的(de)解決方案：用機(ji)械視覺(jue)、運動(dong)節制跟導航算法替換生(sheng)(sheng)物的(de)大(da)腦(nao)(nao)，重構生(sheng)(sheng)物的(de)感官運動(dong)體系，人(ren)為節制活體生(sheng)(sheng)物的(de)運動(dong)，間(jian)接將微米(mi)(mi)(mi)級(ji)生(sheng)(sheng)物開辟為受控微型機(ji)器人(ren)，以實現微米(mi)(mi)(mi)情況下(xia)的(de)特定使(shi)命。

02.聯合機械視(shi)覺算法(fa)，周(zhou)詳節制(zhi)活體線蟲(chong)(chong)這項研(yan)討取舍(she)的(de)生物(wu)工具(ju)是(shi)娟秀(xiu)隱桿(gan)線蟲(chong)(chong)。娟秀(xiu)隱桿(gan)線蟲(chong)(chong)是(shi)生物(wu)學中獨一一個(ge)神經(jing)元(yuan)毗鄰映射圖被完整展(zhan)現的(de)模子生物(wu)，身體通明，成年(nian)(nian)體長(chang)度(du)(du)約1毫米，寬度(du)(du)約80微米，身體里(li)一共302個(ge)神經(jing)元(yuan)。對于(yu)娟秀(xiu)隱桿(gan)線蟲(chong)(chong)的(de)研(yan)討離(li)別正在(zai)年(nian)(nian)發(fa)生了三個(ge)諾貝爾獎。

作為(wei)一(yi)(yi)種軟體(ti)生(sheng)物(wu)，線蟲的(de)(de)(de)身體(ti)每(mei)一(yi)(yi)個處所皆(jie)能蜿蜒(yan)，擁有(you)無限自(zi)由度。近年來，跟(gen)著人工(gong)神(shen)經網絡的(de)(de)(de)開展，人們對生(sheng)物(wu)本體(ti)的(de)(de)(de)神(shen)經系(xi)統旌旗(qi)燈號傳送處置懲罰的(de)(de)(de)機(ji)理(li)分析有(you)更火急的(de)(de)(de)需要。娟秀隱桿線蟲也成為(wei)神(shen)經生(sheng)物(wu)學以至人工(gong)智能學科的(de)(de)(de)研討熱(re)點之(zhi)一(yi)(yi)。經由過程(cheng)一(yi)(yi)系(xi)列生(sheng)物(wu)化學和工(gong)程(cheng)手腕，該研討將活的(de)(de)(de)線蟲釀成了可(ke)以人為(wei)周詳節制的(de)(de)(de)微型(xing)機(ji)器人。

起首，研究者用(yong)化學方式阻(zu)斷了線(xian)蟲的運(yun)動(dong)神經元與肌肉(rou)細胞(bao)組的信息傳送(song)，將線(xian)蟲的神經系統(tong)臨時麻醉，使得現場(chang)依然是活的，但它的大腦(nao)沒(mei)法(fa)向肌肉(rou)轉達運(yun)動(dong)指令，即無法(fa)控制自(zi)身運(yun)動(dong)。

然后(hou)，經由(you)過(guo)程機(ji)械視覺算(suan)法(fa)及(ji)時(shi)剖析(xi)線(xian)蟲(chong)的(de)(de)形態跟(gen)周圍(wei)的(de)(de)情況，剖析(xi)成果(guo)，正在(zai)進一(yi)步(bu)建模跟(gen)控制(zhi)(zhi)算(suan)法(fa)綜(zong)合之后(hou)，用(yong)光遺(yi)傳學(xue)的(de)(de)方式，支(zhi)配微米激光束周詳協調控制(zhi)(zhi)肌肉細胞組群的(de)(de)舉(ju)止，實現線(xian)蟲(chong)整體(ti)的(de)(de)閉(bi)環運動(dong)節(jie)制(zhi)(zhi)。從而(er)用(yong)算(suan)法(fa)取代(dai)線(xian)蟲(chong)的(de)(de)“大腦”，重(zhong)構線(xian)蟲(chong)感(gan)官運動(dong)系(xi)統對身體(ti)的(de)(de)節(jie)制(zhi)(zhi)。

詳細而言，思量(liang)到照(zhao)明光強、顯微鏡聚焦形態、蟲子巨(ju)細等滋擾(rao)因素，研討(tao)職(zhi)員收羅了幾(ji)千(qian)張天然形態的(de)蟲子接連匍匐的(de)照(zhao)片，正在(zai)(zai)此基(ji)礎(chu)上(shang)(shang)計劃機械(xie)視覺算(suan)法。據董先(xian)科先(xian)容(rong)，該算(suan)法正在(zai)(zai)平凡的(de)筆記本(ben)電(dian)腦上(shang)(shang)也能實現(xian)50fps的(de)速(su)率，相關代碼已公然。

然后，控(kong)制算法會依據機械(xie)視覺算法丈量的(de)(de)物(wu)理(li)形態，計較以后時辰須要用(yong)多大的(de)(de)激(ji)光強(qiang)度，去激(ji)活或抑止(zhi)哪組肌(ji)肉(rou)細胞，從而(er)支配線(xian)蟲向設(she)定的(de)(de)地位挪動。為(wei)了周詳的(de)(de)協調控(kong)制肌(ji)肉(rou)膨脹，須要激(ji)光束(shu)有細胞級的(de)(de)精度。為(wei)此，研討職員(yuan)改(gai)裝了一臺顛倒顯微鏡(jing)，而(er)且正在下(xia)面搭建了一個(ge)激(ji)光投(tou)影體(ti)系。

該體系用數字微(wei)(wei)型(xing)器件(jian)DMD反射473nm的(de)(de)藍色激光(guang)(guang)束，搭(da)建一些光(guang)(guang)學元件(jian)讓激光(guang)(guang)束透過顯微(wei)(wei)鏡物鏡縮小上百(bai)倍，然后聚焦(jiao)正(zheng)在(zai)線蟲身上，最初經(jing)由過程給DMD編程去節制激活或抑止哪些肌肉細胞。現階段這個體系可能到達(da)3微(wei)(wei)米的(de)(de)投(tou)影精度，根(gen)本可以實現對單個肌肉細胞的(de)(de)光(guang)(guang)遺傳學操控。

研究者正(zheng)在這類人(ren)為改革的(de)活(huo)體機器人(ren)上，計劃算法實現了(le)線(xian)蟲(chong)(chong)正(zheng)在天然形態下被窺察到的(de)一切(qie)五(wu)種運動形式，并付與了(le)天然形態下線(xian)蟲(chong)(chong)不(bu)的(de)“全局(ju)視覺”：經由過程運動節制跟導航算法，周(zhou)詳(xiang)支配線(xian)蟲(chong)(chong)機器人(ren)避(bi)障，一次性(xing)經由過程迷宮(gong)。

03.為新型蛇形機器(qi)人研討供給新思路

論文(wen)(wen)第(di)一作(zuo)者(zhe)董(dong)先(xian)科(ke)是一名90后(hou)青年學(xue)(xue)(xue)者(zhe)，2012年正(zheng)在(zai)哈爾濱工業大(da)學(xue)(xue)(xue)航天學(xue)(xue)(xue)院自動化(hua)專業實現本科(ke)學(xue)(xue)(xue)習(xi)，2014-2019年正(zheng)在(zai)加拿大(da)麥吉爾大(da)學(xue)(xue)(xue)機(ji)器(qi)(qi)工程(cheng)系取(qu)得博士學(xue)(xue)(xue)位(wei)，主攻機(ji)械視覺(jue)、微型機(ji)器(qi)(qi)人(ren)，和機(ji)器(qi)(qi)人(ren)周詳操縱研(yan)討(tao)標的(de)目的(de)。自2019年至今，董(dong)先(xian)科(ke)正(zheng)在(zai)加拿大(da)多(duo)倫多(duo)一家科(ke)技公司任(ren)算法研(yan)發工程(cheng)師，擔(dan)任(ren)嵌入式高幀率眼光跟蹤體系的(de)算法開辟，和正(zheng)在(zai)醫療AR跟幫助駕駛場景的(de)使用。此前他(ta)曾以第(di)一作(zuo)者(zhe)身份取(qu)得機(ji)器(qi)(qi)人(ren)范疇頂級學(xue)(xue)(xue)術會議(yi)ICRA2015的(de)最好(hao)集會論文(wen)(wen)提名獎跟最好(hao)自動化(hua)論文(wen)(wen)提名獎。

他先容講，微米(mi)情(qing)況(kuang)下，因為(wei)(wei)物(wu)理定律的(de)(de)(de)(de)標準縮(suo)小效應，粘(zhan)滯力跟摩擦力比(bi)重力要(yao)年(nian)夜幾個(ge)數量級。是以微米(mi)情(qing)況(kuang)下的(de)(de)(de)(de)自(zi)主運(yun)動(dong)形(xing)式(shi)，好(hao)比(bi)細菌(jun)的(de)(de)(de)(de)鞭毛運(yun)動(dong)、精子(zi)的(de)(de)(de)(de)泅(qiu)水運(yun)動(dong)、線蟲的(de)(de)(de)(de)蛇形(xing)運(yun)動(dong)等(deng)，與(yu)一樣(yang)平常微觀運(yun)動(dong)形(xing)式(shi)有很大區(qu)別。生物(wu)擁有靈活的(de)(de)(de)(de)身體跟對(dui)情(qing)況(kuang)的(de)(de)(de)(de)高度(du)順(shun)應，存在(zai)靠得住跟高效的(de)(de)(de)(de)自(zi)然(ran)屬性。將微米(mi)情(qing)況(kuang)里生涯的(de)(de)(de)(de)生物(wu)改革(ge)為(wei)(wei)微型機器人(ren)，是微型機器人(ren)范(fan)疇(chou)的(de)(de)(de)(de)全(quan)新思緒，也對(dui)往后天(tian)然(ran)微型機器人(ren)供給了前(qian)瞻性研討。

現(xian)階段狹義蛇形(xing)機器人的(de)開(kai)辟常(chang)(chang)常(chang)(chang)將(jiang)其(qi)等價為串連桿(gan)件(jian)模(mo)子，用拉(la)格朗驲方程(cheng)(cheng)停(ting)止剛體建模(mo)。但這類傳統方式疏忽(hu)了機器人跟情況(kuang)龐大的(de)力學交(jiao)互，是以蛇形(xing)機器人運動(dong)速(su)率(lv)跟服從常(chang)(chang)常(chang)(chang)不高。本文(wen)經由(you)過(guo)程(cheng)(cheng)建模(mo)仿(fang)真(zhen)和一系(xi)列試(shi)驗(yan)，展現(xian)了線(xian)蟲正在(zai)蛇形(xing)運動(dong)進程(cheng)(cheng)中肌肉的(de)活性(xing)部(bu)位與(yu)身(shen)體的(de)曲率(lv)之間存在(zai)相(xiang)位差，并從實際跟試(shi)驗(yan)兩方面驗(yan)證了此相(xiang)位差是驅動(dong)線(xian)蟲蛇形(xing)匍匐(fu)的(de)運動(dong)形(xing)式的(de)緣故原由(you)。該結果對新型蛇形(xing)機器人的(de)計(ji)劃建模(mo)與(yu)節制有緊張的(de)指導意義。

最初，本文(wen)樹(shu)模了(le)用(yong)微米激光束周(zhou)詳操控肌肉細胞活性的試驗。此(ci)方式(shi)對其他(ta)生(sheng)物癱(tan)瘓疾病的醫治(zhi)也有啟迪(di)意(yi)思(si)。正在這項研討(tao)中，研討(tao)團隊做(zuo)了(le)良多(duo)根底的動力(li)學(xue)研討(tao)，研討(tao)微米下的“蛇(she)”若何蠕動。大(da)概未來某一(yi)天能以此(ci)為根底，做(zuo)出(chu)天然的微米蛇(she)形機器人(ren)，將之放到人(ren)的血管(guan)或許消(xiao)化(hua)道里為人(ren)治(zhi)病。

董先科道，他(ta)接下來的(de)(de)(de)研討籌劃是(shi)進一(yi)步計(ji)劃尺寸稍大(da)的(de)(de)(de)天然蛇形機器(qi)人(ren)，然后用此(ci)刻做出來的(de)(de)(de)模子停止節制，由于更多地思量到了機器(qi)人(ren)跟情(qing)況的(de)(de)(de)力學(xue)交互，料想能夠晉升(sheng)良多方(fang)面(mian)的(de)(de)(de)機能。另一(yi)方(fang)面(mian)，這個(ge)線(xian)蟲機器(qi)人(ren)可以作為一(yi)個(ge)研討線(xian)蟲神經學(xue)的(de)(de)(de)極(ji)佳平臺，好比(bi)研討這個(ge)只有302個(ge)神經元的(de)(de)(de)模子生(sheng)物有無習(xi)慣性影象(xiang)(xiang)，或許怎樣組(zu)成(cheng)習(xi)慣性影象(xiang)(xiang)。據他(ta)泄(xie)漏(lou)，有一(yi)些與(yu)線(xian)蟲生(sheng)物學(xue)家協作的(de)(de)(de)課(ke)題正在(zai)展開。

04.結語：或開(kai)導線蟲神經學(xue)及微型機器人相關(guan)研(yan)討

因為(wei)生(sheng)物(wu)神經系(xi)統的(de)(de)(de)(de)(de)工程或從頭(tou)計(ji)劃存在(zai)(zai)挑(tiao)戰(zhan)性，再(zai)加上缺乏(fa)精確描寫生(sheng)物(wu)行(xing)動的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)物(wu)力學(xue)模(mo)子，大(da)多數生(sheng)物(wu)混(hun)淆微(wei)型機(ji)器人(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)(de)計(ji)劃僅(jin)波及簡略的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)物(wu)組件，沒(mei)有(you)具(ju)有(you)正在(zai)(zai)運動時代調和這些(xie)驅動組件的(de)(de)(de)(de)(de)身體(ti)級智能。整體(ti)來看，這項將(jiang)活線蟲轉化為(wei)微(wei)型軟體(ti)機(ji)器人(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)(de)新研(yan)(yan)討(tao)，為(wei)娟秀隱桿線蟲及其(qi)他線蟲的(de)(de)(de)(de)(de)神經學(xue)研(yan)(yan)討(tao)供給了(le)一(yi)個極佳的(de)(de)(de)(de)(de)平臺(tai)，亦對微(wei)米標準(zhun)下機(ji)器人(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)(de)開辟亦供給了(le)開創性的(de)(de)(de)(de)(de)思(si)緒。聯合肌肉活性的(de)(de)(de)(de)(de)熒(ying)光成像(xiang)，該研(yan)(yan)討(tao)借(jie)對微(wei)米標準(zhun)下蛇(she)形(xing)運動的(de)(de)(de)(de)(de)動力學(xue)研(yan)(yan)討(tao)有(you)樹模(mo)意思(si)。