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编者按：仿生学是一门古老又年轻的学科。从我们耳熟能详的蝙蝠与雷达的故事，到现代各式各样的仿生机器人，人们总是从自然界的动植物身上获得灵感，去改造或发明我们生活中的各类设备和工具。身处一个机器人技术爆发的时代，身边的机器动物们也是层出不穷，比如下图中这只费斯托（Festo）公司于年发布的机器袋鼠。

图片来源：Festo

或者是伯克利大学的机器蟑螂，

图片来源：UCBerkeley

当然，也少不了大名鼎鼎的波士顿动力机器狗。

图片来源：BostonDynamics

如今，机器人动物的大家庭里又多了一条鱼。

不同的是，这条鱼并不是全由冷冰冰的机械组成，它的驱动系统的核心部件由新生老鼠的心脏肌细胞构成。因此，这条仿生鱼应该被归为目前还并不常见的仿生生化机器人。这项研究对于人类探索生化机械的道路可称得上是里程碑式的一站。

以上这条游得欢快的仿生鱼诞生于哈佛大学的Wyss仿生工程研究所（theWyssInstituteforBiologicallyInspiredEngineering），项目的负责人Sung-JinPark和KevinKitParker教授将相关论文发表在了《科学》杂志，于是这条长仅1.6厘米（比1角硬币还小），重约10克，几乎完全透明的鱼占据了7月7日各大美国科技媒体的头版。

这条仿生鱼的原型是刺魟，从下图看，人造鱼和旁边的这条小鳐鱼的外形向去无多，之所以在这里用了小鳐鱼，是因为真正的刺魟太过凶猛，尾部的毒刺见血封喉，因此为了安全起见，只能找来无害的小鳐鱼了。从尺寸上来看，人工刺魟的大小只有真鱼的十分之一。

魟（ray）和鳐（skate）名字虽然不同，但是实际上差异不大，都属于鳐目（Batoidei）。它们分布于全世界各处的水域，虽然种类很多，但是看起来大同小异，都是扁平的身体，宽大的胸鳍，细长的尾巴，以及靠胸鳍波浪般的运动的招牌式游泳方式。

这次的研究团队想要功课的难题就是造出一条人工刺魟，并且让它像一条鳐一般游泳，为了达到这个目的，首先要对活体鳐的胸鳍构造进行分析。

图片来源：Science

从上图B中的截面图来看，鳐鱼胸鳍主要由三部分构成，软骨，双层肌肉以及构成身体的其他有机组织。分析完之后，接下来就要找相关的人工替代品了。

首先是相对容易的身体和软骨，模拟刺魟身体的是两层柔软的硅橡胶，将黄金制成的人造软骨夹在了中间。黄金软骨的结构也做了相对的优化，确保支撑起整个身体的同时尽可能减少生化鱼的总体重量。

接下来就是最难的人工肌肉部分了。这次的研究人员直接选用了“活”材料来进行模拟——采自才2天大的大鼠胚胎的心脏肌肉细胞。这些被采集来的细胞需要经过一轮改造，植入海藻的光敏基因，这样，这些肌肉纤维一旦被蓝光照射，就会自行收缩，蓝光消失后则重新伸展开来。从下图来看，这些“人工肌肉”和黄金软骨组成的胸鳍与天然胸鳍的结构非常相似。

再放大一些看，无论是人工的还是天然的肌肉里都具有肌节Z线，确保了肌肉纤维伸缩无碍。

终于，所有材料都找齐了，我们就能够给大家说一下这条仿生生化鱼的诞生过程了（见下图）。

图片来源：Science

所有的生化鱼都诞生于一个钛金属的模子中，首先置入的第一层，即用激光3d切割成刺魟形状的硅胶层，第二层则黄金软骨，第三层是另一层硅胶层，最后则是肌肉层。而在这层硅胶上面，会植入纤维连接蛋白以引导作为种子的心脏肌细胞生长，最终形成一个放射状结构的第四层，与刺魟肌肉纤维的结构非常类似。

当肌肉伸缩时，整个胸鳍就会如同真的鳐鱼一般进行这种波浪般的运动。下图中的从头部向尾部传递过去的红色代表了人工胸鳍的最大形变状态，换而言之就是鱼鳍从前到后连续地下压，以提供人工鱼前进的动力。

由于每条生化鱼都需要20万个左右的心脏肌细胞，因此整个制造过程需要一周左右，而大多数时间，则是在等“肌肉种子”长成“肌肉层”。

生化鱼入水后，就可以用一个蓝色双光源LED来控制它的活动了，如果双光源同时工作，一亮一灭，生化鱼就会向前游动，如果只开一边工作，则能让鱼转向，鱼游泳的速度由蓝光亮灭的频率决定，具体怎么样，就让我们来看下面的动图吧。

从游泳姿势来看，相似度非常高。

虽然扎扎实实在往前走，速度却着实令人捉急，大约为9米/小时，勉强可以完爆蜗牛。

左转右转都能实现，然而却谈不上非常灵活。

虽然这条鱼的游泳速度堪称水中蜗牛，但是它的最大亮点在于完美地复制了鳐鱼的游泳方式，并且还使用了活体细胞。如果回顾整个生产流程，还会发现这条在科研界正当红的生化刺魟的用材非常简单——就硅胶、黄金和老鼠心脏肌细胞这三样而已，而生产工艺似乎也不复杂，就这么四层结构而已。

然而，无论是科学研究还是创造发明，想得通和做得到永远是两码事，就为了这么一条“简单”生化小鱼，前后整整花去了四年时间，仅仅为了让小鱼实现向前游动，就重复了次试验以调整人工鱼鳍。所以DT君也想在这里向这些辛劳的科学家们致个敬。

至于这么一条生化鱼对于我等凡人有啥作用，“造鱼者”本人表示想借此进一步研究心脏细胞，为将来的全生物人造心脏做准备。

而鳐鱼本身，因为其流线型的构造，宽大的身体以及独特的推进方式，是非常适合用来做为海底探测潜艇的设计模板的，在未来的海底探测或是海底旅游等领域，“鳐”式机器人和潜艇完全有可能大显身手。

参考：S.-J.Park,M.Gazzola,K.S.Park,S.Park,V.DiSanto,E.L.Blevins,J.U.Lind,P.H.Campbell,S.Dauth,A.K.Capulli,F.S.Pasqualini,S.Ahn,A.Cho,H.Yuan,B.M.Maoz,R.Vijaykumar,J.-W.Choi,K.Deisseroth,G.V.Lauder,L.Mahadevan,K.K.Parker.Phototacticguidanceofatissue-engineeredsoft-roboticray.Science,;():DOI:10./science.aaf

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