意想不到的生物：由光敏肌細胞驅動的機器黃貂魚

知識 07-12

Kevin Kit Parker想創造一個人類心臟，他的小女兒喜歡波士頓的新英格蘭水館族，父親和女兒的痴迷共同創造了一個意想不到的生物：鎳幣大小的人工黃貂魚。在光的指引、老鼠心肌細胞的驅動下，能夠遊動。

西雅圖華盛頓大學的綜合生物學家Adam Summers說，結合了工程、細胞生物、遺傳學、生物力學領域的研究成果，這種「活體」機器人「確實是一項科技傑作」。一些人認為，將細胞和人工材料融合到一種脈動結構中，這種設備能夠讓Parker離創造人類心臟的夢想更進一步。中國杭州浙江大學的神經學工程師Xu Ke di 稱，「你能設想某一天我們可以使用這種技術，重新創建人體構造。」

Parker是哈佛大學的應用物理學家，5年前，他參觀了水館族，水母深深地吸引了他，從那以後，他開始涉足機器學。這種生物有節奏的跳動讓他想到了心臟的跳動。他的團隊之前已經能讓心肌細胞在硅膠薄片上生長，他想，他也許能合成這些細胞，讓它們像水母一樣有節奏地跳動。

結果就出現了一種「類水母體」，這是一種簡單人工生物，由心肌細胞構成，心肌細胞覆蓋在硅膠片上，硅膠片呈淺杯狀，邊緣鑲了鰭片。鹽糖溶液能夠維持這些細胞的生命，小電流能夠讓細胞收縮，改變硅膠杯的形狀，這樣，這種「水母」排出液體，在槽液中前進。Parker回憶，「對我來說，這只是一次訓練，我正努力創建更好的肌肉泵。」

一次參觀水族館的經歷也啟發了他。當他的女兒觸摸了愛畜水槽里的黃貂魚，黃貂魚突然向身體一側擺動，轉向遊走了。Parker 心想，「也許黃貂魚改變方向與心臟跳動有相似之處。」所以，他決定將生命樹從水母變成黃貂魚，使團隊的「類水母體」更為複雜。

再次多虧了他的女兒，他設想了一種簡單方法，利用光控制這個新機器人。當女兒還是個初學走路的小孩時，Parker將激光指示器的光投向地面，讓她踩著光線走，指引她沿著人行道走。也許通過讓肌細胞收縮，對光作出回應，他的團隊能在人工黃貂魚身上做一些類似的事。

他們轉向了光遺傳學，光遺傳學中，基因遺傳讓細胞具有光敏分子，這些光敏分子引發信號連鎖反應。Parker的團隊在這方面沒有經驗，但是，他之前是一名參與過阿富汗戰爭的中校，後來成為了哈佛大學的教員，他故作勇敢，決定大膽往前走，從軍隊、國家衛生研究院以及其他地方拼湊資金。

Parker讓博士後Sung-Jin Park監督這項工作，Parker自信地預測，這項計劃將形成一篇論文，發表在《科學》雜誌的封面。Parker回憶，「我當時認為那很瘋狂...不可能。」

Parker花了四年時間實現了他的預言。Park和其他人通過剖析黃貂魚，開始學習它們的肌肉構造；之後，另一個實驗室的同事們分析了肌肉如何驅動鰭片。這些鰭片同步推動黃貂魚向前運動。為了模擬這種動物的基本骨骼，Park使用了許多柔性機器人構造，最終確定了一種多叉的金色骨骼，夾在兩層硅膠片中。

20萬個心臟細胞賦予了黃貂魚生命，這些心臟細胞來自於生長2天的老鼠胚胎，放置在硅膠的頂部。硅膠由細胞外蛋白質和纖維連接蛋白組成，能夠讓細胞放射狀生長, 類似於真正黃貂魚的肌肉。聖地亞哥加利福尼亞大學的生物工程師Andrew McCulloch沒有參與這項研究，他稱，正確創建這種架構很關鍵，這能讓心臟細胞完成骨骼肌肉的工作。

但是，Parker的團隊沒有完全模仿黃貂魚的肌肉。賓夕法尼亞州西切斯特大學Frank Fish說，「他們走了一條捷徑。」真正的黃貂魚每個胸鰭內有兩塊肌肉，肌肉在相反的方向拉伸，向上推動鰭片，然後又向下推動鰭片。黃貂魚機器人只有一塊肌肉，往下推動鰭片；金色骨骼彈跳，往上推回鰭片。

有一種病毒傳遞編碼光遺傳分子開關的基因，受這種病毒的感染，當藍色的光照在它們身上時，改良的心臟細胞跳動。但是，將那種效果轉換成連貫的運動，花了幾個月時間；利用光刺激前鰭，讓機器黃貂魚向前運動，僅這就讓Park試了200次。

最終，他創建了100多個機器人，並且證明了他們可以操控水下的障礙訓練。為了操控轉向, Park用兩個光源指引黃貂魚，光源指向每個鰭片。改變光流的頻率，降低或者加速了收縮速率；讓一邊比另一邊跳動得更快，他操控機器人向左或者向右。

黃貂魚每小時僅運動9米，轉向慢，用真正的黃貂魚標準衡量的話，相當可憐了。即使這樣，普林斯頓大學的機械工程師Alexander Smits說，「把它們結合在一起，這是意義非凡的。」Fish用硅膠鰭片幫忙設計了更大的「鰩魚機器人」，電控桿和電纜讓它們擺動，他稱，「就機器人學而言，黃貂魚是向前的大飛躍」，他補充，「我們已經能夠實現生物學和工程學的真正融合了。」

Fish說，然而，還有很長的路要走。只有當營養溶液加熱到大鼠的體溫時，活體肌肉機器人才能運作。讓它們能夠在一個更自然的環境中運行，這將是一個挑戰。

而且，這種方式是否會產生實用機器人，是否會產生讓Park和Parker真正感興趣的東西（生物人工心臟），這是未知的。單是再放置一層肌肉細胞就令人氣餒了，更不用說重新獲得完整複雜的心臟或者完整的動物。馬里蘭貝塞達斯國家心肺血研究院的項目主管Denis Buxton說，黃貂魚機器人「並非真正與心臟里的任何東西特別相關，」尤其因為人們正以一種不自然的方式使用心臟細胞。

但是，對Parker和其他人，那種「不自然的方式」是有益的。「心臟是中空的肌肉，」瑞士蘇黎世大學再生醫學研究所心血管外科醫生Simon Hoerstrup解釋，「你在這條黃貂魚看到的許多特徵，你能在心臟里找到。」

意想不到的生物：由光敏肌細胞驅動的機器黃貂魚