科技日報記者 張夢然

美國科學家開發(fā)出一種新型生物混合機器人，其能在光刺激下以不同速度實現(xiàn)定向爬行。這項研究旨在探索調(diào)節(jié)神經(jīng)元活動如何影響肌肉的機械輸出，從而揭示出神經(jīng)信號與肌肉驅(qū)動之間的內(nèi)在關聯(lián)。相關研究發(fā)表在最新一期《科學·機器人》上。

來自美國伊利諾伊大學香檳分校、西北大學等機構(gòu)科學家組成的團隊，此次構(gòu)建了一個集成骨骼肌與運動神經(jīng)元的系統(tǒng)，二者被共同培育在一種水凝膠支架上，并通過神經(jīng)肌肉連接實現(xiàn)功能整合。該連接可通過無線光遺傳學技術進行精準控制，使研究人員能夠遠程激活或調(diào)節(jié)機器的運動行為。

該機器人的結(jié)構(gòu)設計巧妙，配備一條短腿和一條長腿，其運動機制依賴于肌肉的周期性收縮與舒張。當肌肉收縮時，兩條腿向彼此靠攏；當肌肉放松時，它們則重新分離。由于短腿在形變過程中彎曲程度更大，這種不對稱的運動模式促使機器人整體向長腿一側(cè)持續(xù)爬行。研究人員通過在系統(tǒng)中植入單個或雙神經(jīng)組織簇，制造出不同類型的爬行裝置，并利用實驗與模擬相結(jié)合的方式，系統(tǒng)分析了其機械行為特征。

研究發(fā)現(xiàn)，這些生物混合爬行機器人不僅表現(xiàn)出自發(fā)的肌肉抽搐，還能通過外部光刺激精確啟動或調(diào)控運動。部分裝置在光遺傳學激活后開始爬行，甚至在光照停止后仍能維持一段時間的自主移動，顯示出一定的持續(xù)性和記憶性神經(jīng)活動。

更引人注目的是，當光刺激頻率升高時，某些裝置的爬行速度反而減慢，表明神經(jīng)元的響應并非簡單的線性關系，而是受到復雜神經(jīng)網(wǎng)絡動態(tài)的調(diào)控。研究人員認為，這種現(xiàn)象可能與神經(jīng)元之間的同步性變化或興奮-抑制平衡的調(diào)整密切相關。

這些發(fā)現(xiàn)為理解神經(jīng)元信號如何轉(zhuǎn)化為多樣化的肌肉行為提供了新的視角。神經(jīng)元因其對環(huán)境刺激的高度適應性和可塑性，成為控制復雜生物混合系統(tǒng)極具潛力的“生物控制器”。