加拿大多倫多大學(xué)劉新宇團隊另辟蹊徑，用化學(xué)方法把活體秀麗隱桿線蟲“大腦”與肌肉系統(tǒng)的連接切斷，再利用光遺傳學(xué)和微機器人控制技術(shù)實現(xiàn)對單個活體線蟲爬行狀態(tài)的閉環(huán)控制，可一次性靈活穿越微型迷宮。

近年來，直接利用微生物運動或生物組織來構(gòu)建生物融合微機器人（又稱為類生命機器人）頗具應(yīng)用前景，在藥物控制傳遞、細胞內(nèi)細胞器表征和精密醫(yī)療手術(shù)等技術(shù)已有了重要的應(yīng)用場景。

然而，微型機器人的設(shè)計，在一定程度上受到驅(qū)動機構(gòu)和高密度能源無縫集成等技術(shù)瓶頸限制，這種微型機器人的集成度和性能還無法與生物有機體相媲美。

在傳統(tǒng)的微機器人領(lǐng)域，有很多課題組基于機器仿生原理，利用微裝配、原位生長或生物打印等技術(shù)，將機器人微結(jié)構(gòu)本體和具有驅(qū)動功能的細胞或組織集成，實現(xiàn)生物融合機器人。但這種仿生機器人在微米尺度下，粘性力和摩檫力通常比重力高幾個數(shù)量級，這對微型機器人機體結(jié)構(gòu)和執(zhí)行器的設(shè)計、制造和材料開發(fā)帶來了較大的困難。

該團隊提出了一種基于線蟲光遺傳學(xué)的設(shè)計策略，利用活體秀麗隱桿線蟲作為“微機器人本體”，將線蟲肌肉細胞作為“驅(qū)動器”，通過可控微結(jié)構(gòu)光場對線蟲的蛇形運動實現(xiàn)閉環(huán)控制。

活體線蟲軟體微型機器人光遺傳運動控制原理示意圖

相關(guān)論文以為題《通過光遺傳運動控制秀麗隱桿線蟲的活體軟微型機器人》發(fā)表在Science Robotics上。

相關(guān)論文

由加拿大麥吉爾大學(xué)機械工程系博士董先科擔(dān)任第一作者，加拿大多倫多大學(xué)機械與工業(yè)工程系教授劉新宇擔(dān)任通訊作者。

該成果可帶來兩方面研究價值，一是為微器人設(shè)計原理研究提供了新思路；二是活體線蟲爬行控制技術(shù)有望賦能線蟲生物學(xué)創(chuàng)新研究。

用機器視覺算法取代“大腦”，讓活體線蟲一次性成功穿越微型迷宮

劉新宇教授表示，“我們的初衷是利用機器人技術(shù)對秀麗隱桿線蟲進行爬行控制，將這個活體線蟲變成一個可控的軟體微機器人。”

在做該研究之前，該團隊已經(jīng)對秀麗線蟲微操作領(lǐng)域研究多年，研發(fā)了針對自由爬行活體線蟲的機器視覺識別和跟蹤算法，全自動線蟲顯微注射系統(tǒng)，以及用于高速線蟲篩選的微流控系統(tǒng)。

該研究成果具有兩大突出亮點：

第一，該團隊揭示了秀麗隱桿線蟲能夠持續(xù)向前蛇形爬行的驅(qū)動規(guī)律。線蟲向前爬行的主要原因是，秀麗隱桿線蟲如蛇形般的體形結(jié)構(gòu)與它的肌肉收縮強度分布間存在一個相位差，從而通過從頭部到尾部的依次肌肉收縮產(chǎn)生向前推動力，受推力作用活體秀麗隱桿線蟲可以持續(xù)向前爬行。

該團隊通過對活體線蟲爬行的熒光成像進行了觀察，并對肌肉收縮時的鈣信號增強做了熒光成像，發(fā)現(xiàn)了線蟲肌肉收縮的最大值，然后又通過機械力學(xué)建模再次求證，實驗證明“蛇形相位差”是秀麗隱桿線蟲向前持續(xù)爬行的主要原因。

蛇形爬行的推力分析及微光場控制肌肉收縮推力再現(xiàn)

第二，如何通過機器視覺反饋控制算法實現(xiàn)秀麗隱桿線蟲爬行閉環(huán)控制。該團隊利用化學(xué)方法將活體秀麗隱桿線蟲進行麻醉，把它的“大腦”（即線蟲的神經(jīng)系統(tǒng)）與肌肉系統(tǒng)暫時切斷，再利用光遺傳學(xué)的辦法，人為激勵它身體不同部位的肌肉，讓它的肌肉形成了一個對應(yīng)的收縮分布，保持和體形結(jié)構(gòu)的相位差，使它向前蛇形爬行。

然后，通過機器視覺算法對活體線蟲的爬行進行跟蹤，通過線蟲的外輪廓對秀麗隱桿線蟲進行激勵，根據(jù)它所處的位置將分布的光打到它的身上，讓活體線蟲多個肌肉進行收縮，實時復(fù)現(xiàn)這樣的相位差實現(xiàn)持續(xù)爬行。

值得關(guān)注的是，該團隊對秀麗隱桿線蟲實現(xiàn)了點對點的閉環(huán)位置控制和方向控制。

首先，可控制線蟲從任意A點爬行至任意B點；其次，不論線蟲初始爬行方向如何，都可以通過視覺反饋算法將他的爬行方向調(diào)整成想要的方向。通過給線蟲規(guī)劃一個爬行軌跡圖，就能控制它一次性穿過一個微型迷宮，順利到達目的地。

閉環(huán)控制對線蟲移動方向和目的地的調(diào)控

劉新宇表示，利用秀麗隱桿線蟲做研究的優(yōu)勢在于它是“活體”，線蟲身體中“結(jié)構(gòu)部件”“驅(qū)動器”“能源部件”的高度無縫集成，為人們呈現(xiàn)了一種大自然設(shè)計的微機器人系統(tǒng)。

當(dāng)然這類活體機器人，其劣勢也比較明顯，比如秀麗隱桿線蟲與人類體內(nèi)環(huán)境不兼容，因此會限制其在醫(yī)療上的應(yīng)用。

另外，線蟲在爬行的過程中也會疲勞，限制線蟲微機器人的工作時間。一條活體線蟲在光驅(qū)動受控狀態(tài)下可保持爬行在15分鐘左右，一旦控制超過15分鐘，線蟲肌肉細胞的收縮力就會變小，可控爬行就會受到影響。

研發(fā)第二代活體線蟲變體，提高控制成功率超50%

可控秀麗隱桿線蟲轉(zhuǎn)基因變體的前期研究是一套非常復(fù)雜的流程，由于不同活體線蟲對麻醉處理的反應(yīng)差異，該論文中所報道的第一代活體線蟲變體受控成功率相對較低，大概在7%左右。而定義是否“成功”的標準，是將線蟲麻醉以后看它能否完全受控，如果它能受控就定義為成功；反之，則定義為失敗。

劉新宇教授表示，為了提高活體秀麗隱桿線蟲的受控成功率，當(dāng)前該團隊正在和加拿大多倫多西奈山研究所的Mei Zhen教授團隊合作，對秀麗隱桿線蟲轉(zhuǎn)基因變體進行了改造升級，第二代線蟲變體有望實現(xiàn)超過50%的控制成功率，這可以對這項技術(shù)的后續(xù)研究更有效率，也可以幫助對線蟲生物學(xué)不熟悉的其他研究組更容易應(yīng)用該項技術(shù)。

由于并不是所有微機器人學(xué)領(lǐng)域的實驗室都熟悉或者都能做這樣的實驗，所以該團隊后期考慮把這套平臺的所有參數(shù)和技術(shù)做一個開源發(fā)表，將所有的實驗細節(jié)公開，讓機器人領(lǐng)域和生物學(xué)領(lǐng)域的研究者更方便使用。

“一旦新的科研成果被發(fā)表，我們會努力做好準備，爭取為全球各個領(lǐng)域的研究組提供第二代活體線蟲樣品。突破科研技術(shù)難題，克服平臺障礙，將此技術(shù)在不同學(xué)術(shù)領(lǐng)域推廣，是我們未來幾年的主要目標?！眲⑿掠罱淌谡f道。

可廣泛用于基礎(chǔ)研究，但體內(nèi)送藥等臨床應(yīng)用前景仍受限

秀麗隱桿線蟲的神經(jīng)細胞只有302個，而且每一個神經(jīng)細胞互相連接的圖譜都已被研究清楚，科研人員可以通過高分辨率熒光成像辦法去研究，活體線蟲不同爬行為下神經(jīng)細胞的信號傳導(dǎo)機理，因此該研究成果可直接應(yīng)用于基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)研究，并且短期即可找到應(yīng)用前景。

微米級機器人在醫(yī)療領(lǐng)域有很高的應(yīng)用價值，比如可以在人體內(nèi)自主行動，把藥物精準地送到能發(fā)揮藥效的地方，還可以輔助精子移動幫助人工受孕。

“然而，該成果短期內(nèi)很難直接用于醫(yī)療領(lǐng)域，在解決行業(yè)痛點及大規(guī)模商業(yè)化落地上仍不成熟。比如，在臨床應(yīng)用中，目前很難將活體線蟲植入人體做藥物遞送或其他應(yīng)用，在技術(shù)和倫理層面面臨一定的障礙。”劉新宇表示。

劉新宇

第一，將活體線蟲植入體內(nèi)做藥物提送，面臨倫理障礙。秀麗隱桿線蟲屬于一種寄生蟲，把它植入人體內(nèi)做藥物遞送，從倫理或者從心理上患者對它的接受程度會有很大的障礙，在短期之內(nèi)找到克服這個難題的解決方法具有一定挑戰(zhàn)。

秀麗隱桿線蟲

第二，秀麗隱桿線蟲光驅(qū)動原理不適合體內(nèi)應(yīng)用，這是主要技術(shù)障礙之一。臨床中利用的最多的是磁控和聲控驅(qū)動，當(dāng)機器人進到人體以后，磁場和聲控都可以很容易將藥物遞送到更深的身體組織。由于秀麗桿線蟲是基于光學(xué)驅(qū)動的，在技術(shù)層面上如何實現(xiàn)體內(nèi)線蟲光驅(qū)動，目前該團隊持保守態(tài)度。

未來，該團隊將會對秀麗隱桿線蟲活體的基因結(jié)構(gòu)進行改造，尤其是對它麻醉的過程做一個升級，使它的麻醉過程重復(fù)性更好，可以很大程度提高線蟲控制的成功率，這是他們接下來主攻的一點；另外該團隊將與Mei Zhen教授和其他生物線蟲實驗室合作，將該實驗技術(shù)和平臺應(yīng)用到線蟲基礎(chǔ)生物學(xué)創(chuàng)新研究。

將更多的精力傾注于科學(xué)研究，以終為始探索更多可能性

劉新宇表示，“我們團隊在開始這項研究時，主要出于好奇心和興趣驅(qū)動，至于最終研究成果適合哪些未來應(yīng)用場景，可以解決哪些實際問題，當(dāng)時并沒有找到清晰路徑。而且，基礎(chǔ)科學(xué)研究與應(yīng)用轉(zhuǎn)化的先后順序有時很難分清，只要我們保持好奇心，全力推動新知識產(chǎn)生和技術(shù)進步，很多開創(chuàng)性成果在之后的深入研究過程中，會找到意想不到的應(yīng)用場景?！?/p>

開展本研究的過程中，該團隊逐漸認識到所開發(fā)的活體線蟲運動控制技術(shù)，在線蟲生物學(xué)基礎(chǔ)研究上的應(yīng)用前景。例如，該技術(shù)將允許團隊對線蟲不同蛇形爬動模式下的生物力學(xué)原理進行試驗測量和建模研究。

另外，該團隊將和Mei Zhen團隊進一步合作，深入研究線蟲嗅覺、趨光、趨熱等行為的神經(jīng)生物學(xué)原理。

劉新宇表示，“如今，中國國內(nèi)環(huán)境有一個非常獨特的優(yōu)勢，科研與產(chǎn)業(yè)結(jié)合非常緊密，產(chǎn)業(yè)層面需求的反哺，使科研工作者的思路更加清晰?！?/p>