用算法代替生物大脑，90后博士造出活的微型机器人登Science子刊

梦晨发自凹非寺量子位报道|公众号QbitAI
一只虫仿佛开了上帝视角，毫不犹豫地一次性穿过迷宫爬到终点：

文章图片
这条长度约1毫米，宽度80微米的虫，还是在麻醉状态，神经系统无法向肌肉传达运动指令。
而控制它运动的，是视觉反馈导航算法。
它成了一条赛博虫，一个活着的微型机器人。
微米级机器人在医疗领域有很高的应用价值，比如可以在人体内自主行动，把药物精准地送到能发挥药效的地方，还可以辅助精子移动帮助人工受孕。
这项把科幻场景带到现实的研究，来自加拿大麦吉尔大学的90后博士董先科，相关论文刊登在Science子刊ScienceRobotics上。

文章图片
不过，为什么不是从头造一个机器人，而用虫子代替呢？
因为微型机器人在技术上还面临着几大难题：
工艺上，微米尺度下的机器人如何制造、装配，又该如何供能？控制上，如何精密控制微型机器人的运动，又该如何测量？原理上，微米环境下物理定律的尺度都缩小了，摩擦力与粘滞力的作用要比重力大上几个数量级，如何让机器人高效运动？董先科脑洞大开，能不能借用一下现成的生物身体？
自然进化出来的生物已经适应了微米环境的运动方式，还会自己吃饭喝水供能，只要想办法进行控制，问题就都解决了。
于是他盯上了线虫。
被研究得明明白白的虫
研究选用的是秀丽隐杆线虫，这种线虫已经是各类科学研究的常客。
因为它容易繁殖，而且全身透明，观察起来很是方便：

文章图片
它还有一个特点是结构简单，成虫只有大约1000多个体细胞。
其中神经细胞有302个，它的神经系统全部的连接已被科学家画出图谱，还能实时成像。

文章图片
可以说是被研究得明明白白的了。
现在微型机器人身体已经找到了，接下来要解决的是如何控制它行动。
用算法取代大脑
刺激线虫肌肉运动的是光信号。
用波长473纳米的蓝色激光照射肌肉细胞，可以刺激细胞上ChR2通道打开，让钙离子进入刺激肌肉的收缩，从而控制线虫肌肉的运动。

文章图片
这项技术叫做光遗传学，是一项整合了光学、软件控制、基因操作技术、电生理等多学科交叉的生物工程技术。
首先用化学方法阻断线虫的运动神经元与肌肉细胞的信息传递。

文章图片
然后，通过机器视觉算法实时分析线虫的姿态和周围的环境。

文章图片
用微米级激光束精准照射线虫的不同部位，来控制移动方向，实现了“用算法取代大脑” 。

文章图片
完整的实验装置示意图是这样的：

文章图片
一个开创性思路
这项研究除了开辟活体生物与机器人结合的新思路以外，对其他相关领域也很有启发。
对于传统机器人，微米环境下的运动与日常宏观运动有很大差别，往往运动速度和效率不高。