受光线驱动的机器魟鱼──人工心脏的诞生关键

你看过半生物、半机械的生物吗？你能想像这样神奇的机械生物可以帮助科学家研究出人类心脏的制作技术与方法吗？

Kevin Kit Parker 有一个远大的目标──制作出具完整功能的人类心脏，这个灵感源自于他与年幼女儿在波士顿逛水族馆的经验，而他们父女俩的喜好，竟意外促成了一个意想不到的结果──一只五分美元硬币大小的人造魟鱼，其动力来源为大鼠的心肌细胞，且运动方向会受到外在光线所引导。

▲ Parker 的女儿以手掌比较机器魟鱼与真正魟鱼的大小。（Source：science）

Parker 是哈佛大学的应用物理学家，5 年前在海生馆观察水母而受到启发，水母在水中移动时进行的规律性抽动，使他不禁联想起心脏的规律性跳动，这因此让他第一次跨入了机器人学的领域。他的团队原本就具备将心肌细胞成功培养到矽膜上的技术，而现在他想尝试能否将细胞置入类水母的帮浦（jellyfishlike pump），成为一个具运动功能的物体。

他们实验做出了一个结构简单的类水母型（medusoid）人造生物，它的组成是由心肌细胞覆盖在层状矽膜上，并将之塑造成杯状。细胞必须保存在含有盐分与糖分的溶液中，通以少量的电流刺激可使细胞收缩，并改变该杯状物的形状，使此人造生物排出液体，驱使自身向前移动。“这对我来说只是一种训练，我期望能精进建构肌肉帮浦的技术。”Parker 说。

有一天，当她的女儿触碰水箱中的魟鱼时，它迅速的摆动了身体并转向。Parker 心想：“或许魟鱼如何改变其前进方向，与其心脏血液流动如何被调节有一些相似处。”所以他决定从研究水母扩展到魟鱼，提升生物混合（biohybrids）技术的复杂度。而再一次感谢他的女儿，让他设想出一个简单的方法控制机器魟鱼，那就是利用光。当他女儿还在学走路时，Parker 会用激光笔照射光线本地面，指引她一步一步向前走。或许可以利用一样的概念让人造魟鱼的肌肉细胞也会因感光而收缩。

Parker 的团队花了 4 年的时间证实了原本的预测。为了仿效动物的解剖结构，他们以许多软式机器人的型态进行实验，最终成功的将黄金骨架包夹在两层矽的中间。

▲ 机器魟鱼结构示意图。

每只人造魟鱼由 20 万个心脏细胞打印在矽层上所组成，其细胞是从两天大的大鼠胚胎培养得到的。矽层上有一个含纤维链接蛋白（fibronectin）的模板，可以引导细胞生长成放射状的图案，类似真正魟鱼的肌肉生长方向。细胞生长结构的正确与否很重要，这决定了人造魟鱼的心脏细胞是否能发挥如同骨骼肌（skeletal muscle）的功能。

然而，Parker 的团队并没有完全遵照魟鱼肌肉的实际结构，他们走了捷径。真正的魟鱼在胸鳍中有两组肌肉，分别拉往相反的方向，可将鳍移动向上、再向下。但机器魟鱼只有一组肌肉，负责将鳍拉向下，而它的黄金骨架可透过弹力作用再将鳍拉回来。

他们利用病毒感染将编有光遗传分子开关（optogenetic molecular switch）的基因转殖到心脏细胞中，当被蓝色的光线照射时，这个修饰过的心脏细胞便会抽搐。但这个过程并不容易，光是要让机器魟鱼因受光线照射在前鳍而前进，就尝试了至少 200 次。最终，他们成功制作出 100 只以上可以在水中游过障碍物的机器魟鱼。改变光线的照射频率可以减缓或加速其肌肉收缩的速率，若使其中一边的速率快于另一边，便可控制机器魟鱼向右或向左转。

机器魟鱼的移动速率只能到达每小时 9 米，且转向很缓慢，远远比不上真正的魟鱼。另外，机器魟鱼只有在富含营养成分，且温度维持在大鼠体温的溶液中才能运作，要让机器魟鱼可在自然的环境中运行仍是一项挑战。

尽管如此，要抵达这一步已经非常不容易了。华盛顿大学的生物学家 Adam Summers 表示：“这个活体机器人是结合了工程学、细胞培养学、基因体学以及生物力学的重大突破。”另外，中国浙江大学的神经工程学家 Kedi Xu 也提出：“不难想像总有一天，我们能利用这项突破性的技术来重建部分人体的器官。”

• Robotic stingray powered by light-activated muscle cells

（首图来源：Flickr/Barry Peters CC BY 2.0）