智東西7月1日報道，給一個活體生物軀體注入機器的“大腦”，然後人為控制該生物的行為，已經從科幻片走入現實世界。今日，國際機器人學術頂刊Science Robotics上最新發表的一篇新論文，描述了一種用機器視覺、運動控制和導航等算法取代線蟲大腦、精密操控活體線蟲運動的新方法，創造出一個不受束縛的、高度可控的微型軟體機器人，並將其命名為RoboWorm。
作者 | ZeR0
編輯 | 漠影
論文鏈接：https://robotics.sciencemag.org/content/6/55/eabe3950
該論文題目為《通過光遺傳運動控制秀麗隱桿線蟲，實現活的微型軟體機器人》（Toward a living soft microrobot through optogenetic locomotion control of Caenorhabditis elegans），由加拿大多倫多大學機械與工業化學院與Lunenfeld-Tanenbaum研究所合作完成。
“生物本身即最完美的機器人。”論文第一作者董先科博士告訴智東西，從機器人學的角度，這一研究相當於做了一個微米尺度的蛇形機器人，只不過用了生物本身的肌肉細胞作為執行器，這使得微型機器人變得更加靈巧，也更像真正意義上的機器人。
一、破解微型機器人的運動控制技術瓶頸
學習自然生物的運動是設計微型機器人最有效的策略之一。
得益於數百萬年的進化，生物們發展了複雜的身體結構、高效的能量流動和先進的運動控制系統，這些系統超過了任何人造機器。
這些生物的特性，為各種微型機器人的設計提供了巨大的靈感。
微型機器人領域在MEMS技術以及光刻蝕技術的迭代之下，近十年來有長足的發展，並逐步在靶向給葯、測量細胞器模量、輔助精子移動人工受孕等場景嘗試應用。
然而，與自然模型相比，生物啟發的微型機器人的結構通常被大幅簡化，以促進微型機器人的製造和驅動。因此，這種微型機器人的性能無法與生物體相提並論。
人類若想真正製造尺寸在數百微米乃至數微米的受控微型機器人，目前條件下，仍然存在諸多技術瓶頸。
比如在工藝方面，主要瓶頸在於如何製造裝和配微型機器人，如何給這麼小的機器人供能。
在原理瓶頸方面，微米環境里粘滯力和摩擦力比重力大幾個數量級，用什麼結構驅動微型機器人運動，以完成既定任務。
在控制方面，如何測量微型機器人的運動，構成閉環，如何對這麼小的機器人實現精密控制等等，都是當前研究面臨的挑戰。
現階段學術界開發的微型機器人構造相對簡單，多為簡單的、能直接用光刻蝕技術加工的微結構體，如微納米磁塊、微米螺旋體、微米管等。操控性和功能大都比較有限。而如果結構過於複雜，在微米尺度下，它們即使能夠加工出來也很難裝配。
針對這些瓶頸問題，此次在Science Robotics上發表的新論文，提出了一種相當有“腦洞”的解決方案：用機器視覺、運動控制和導航算法替代生物的大腦，重構生物的感官運動系統，人為控制活體生物的運動，直接將微米級生物開發為受控微型機器人，以完成微米環境下的特定任務。
▲秀麗隱桿線蟲受光驅動激活肌肉群
二、結合機器視覺算法，精密控制活體線蟲
這項研究選擇的生物對象是秀麗隱桿線蟲。
秀麗隱桿線蟲是生物學中唯一一個神經元連接映射圖被完全揭示的模型生物，身體透明，成年體長度約1厘米，寬度約80微米，身體里一共302個神經元。關於秀麗隱桿線蟲的研究分別在2002、2006、2008年產生了三個諾貝爾獎。
▲秀麗隱桿線蟲
作為一種軟體生物，線蟲的身體每個地方都能彎曲，擁有無限自由度。近年來，隨着人工神經網絡的發展，人們對生物本體的神經系統信號傳遞處理的機理剖析有更迫切的需求。秀麗隱桿線蟲也成為神經生物學甚至人工智能學科的研究熱點之一。
通過一系列生物化學以及工程手段，該研究將活的線蟲變成了可以人為精密控制的微型機器人。
首先，研究者用化學方法阻斷了線蟲的運動神經元與肌肉細胞組的信息傳遞，將線蟲的神經系統暫時麻醉，使得現場仍然是活的，但它的大腦無法向肌肉傳達運動指令，即無法控制自身運動。
然後，通過機器視覺算法實時分析線蟲的形態和周圍的環境，分析結果，在進一步建模和控制算法綜合之後，用光遺傳學的方法，操縱微米激光束精密協調控制肌肉細胞組群的活動，實現線蟲整體的閉環運動控制。從而用算法取代線蟲的“大腦”，重構線蟲感官運動系統對身體的控制。
▲線蟲閉環控制之字形模型與控制系統架構
具體而言，考慮到照明光強、顯微鏡聚焦狀態、蟲子大小等干擾因素，研究人員採集了幾千張自然狀態的蟲子連續爬行的照片，在此基礎上設計機器視覺算法。據董先科介紹，該算法在普通的筆記本電腦上也能實現50fps的速度，相關代碼已公開。
開源地址：https://github.com/BionDong/worm-locomotion-feature-analysis
然後，控制算法會根據機器視覺算法測量的物理狀態，計算當前時刻需要用多大的激光強度，來激活或抑制哪組肌肉細胞，從而操縱線蟲向設定的位置移動。
為了精密的協調控制肌肉收縮，需要激光束有細胞級的精度。為此，研究人員改裝了一台倒置顯微鏡，並且在上面搭建了一個激光投影系統。
▲基於倒置顯微鏡的激光投影系統的硬件架構
該系統用數字微型器件DMD反射473nm的藍色激光束，搭建一些光學元件讓激光束透過顯微鏡物鏡縮小上百倍，然後聚焦在線蟲身上，最後通過給DMD編程來控制激活或抑制哪些肌肉細胞。
目前這個系統能夠達到3微米的投影精度，基本可以實現對單個肌肉細胞的光遺傳學操控。
▲不同激光強度下，線蟲的肌肉彎曲反應
研究者在這種人為改造的活體機器人上，設計算法實現了線蟲在自然狀態下被觀察到的所有五種運動模式，並賦予了自然狀態下線蟲沒有的“全局視覺”：通過運動控制和導航算法，精密操縱線蟲機器人避障，一次性通過迷宮。
▲控制機器人線蟲通過迷宮
三、為新型蛇形機器人研究提供新思路
論文第一作者董先科是一位90后青年學者，2012年在哈爾濱工業大學航天學院自動化專業完成本科學習，2014-2019年在加拿大麥吉爾大學機械工程系獲得博士學位，主攻機器視覺、微型機器人，以及機器人精密操作研究方向。
自2019年至今，董先科在加拿大多倫多一家科技公司任算法研發工程師，負責嵌入式高幀率目光跟蹤系統的算法開發，以及在醫療AR和輔助駕駛場景的應用。此前他曾以第一作者身份獲得機器人領域頂級學術會議ICRA 2015的最佳會議論文提名獎和最佳自動化論文提名獎。
▲論文第一作者董先科
他介紹道，微米環境下，由於物理定律的尺度縮小效應，粘滯力和摩擦力比重力要大幾個數量級。因此微米環境下的自主運動模式，比如細菌的鞭毛運動、精子的游泳運動、線蟲的蛇形運動等，與日常宏觀運動模式有很大區別。
生物擁有靈巧的身體和對環境的高度適應，具有可靠和高效的天然屬性。將微米環境里生活的生物改造為微型機器人，是微型機器人領域的全新思路，也對日後人造微型機器人提供了前瞻性研究。
目前廣義蛇形機器人的開發往往將其等價為串聯桿件模型，用拉格朗日方程進行剛體建模。但這種傳統方法忽略了機器人和環境複雜的力學交互，因此蛇形機器人運動速度和效率往往不高。
本文通過建模仿真以及一系列實驗，揭示了線蟲在蛇形運動過程中肌肉的活性部位與身體的曲率之間存在相位差，並從理論和實驗兩方面驗證了此相位差是驅動線蟲蛇形爬行的運動模式的原因。該成果對新型蛇形機器人的設計建模與控制有重要的指導意義。
▲線蟲向前和向後爬行過程中的相位差異
最後，本文示範了用微米激光束精密操控肌肉細胞活性的實驗。此方法對其他生物癱瘓疾病的治療也有啟示意義。
在這項研究中，研究團隊做了很多基礎的動力學研究，研究微米下的“蛇”如何爬動。也許將來某一天能以此為基礎，做出人造的微米蛇形機器人，將之放到人的血管或者消化道里為人治病。
董先科說，他接下來的研究計劃是進一步設計尺寸稍大的人造蛇形機器人，然後用現在做出來的模型進行控制，因為更多地考慮到了機器人和環境的力學交互，預想可能提升很多方面的性能。
另一方面，這個線蟲機器人可以作為一個研究線蟲神經學的極佳平台，比如研究這個只有302個神經元的模型生物有沒有習慣性記憶，或者怎麼構成習慣性記憶。據他透露，有一些與線蟲生物學家合作的課題正在開展。
結語：或啟發線蟲神經學及微型機器人相關研究
由於生物神經系統的工程或重新設計具有挑戰性，再加上缺乏準確描述生物行為的生物力學模型，大多數生物混合微型機器人的設計僅涉及簡單的生物組件，不具備在運動期間協調這些驅動組件的身體級智能。
總體來看，這項將活線蟲轉化為微型軟體機器人的新研究，為秀麗隱桿線蟲及其他線蟲的神經學研究提供了一個極佳的平台，亦對微米尺度下機器人的開發亦提供了開創性的思路。結合肌肉活性的熒光成像，該研究還對微米尺度下蛇形運動的動力學研究有示範意義。