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机器人更像“人”了!科学家创造出有脊髓和神经的生物机器人2020-05-07


机器人更像“人”了!科学家创造出有脊髓和神经的生物机器人


得益于科学家对人类身体的研究,机器文明又取得了一项进步。
 

 
利用对人类脊髓的研究成果,伊利诺伊大学香槟分校研究人员使用3D打印技术制造出柔软骨架上,并以此为基础开发了由肌肉和脊髓组织提供动力的小型步行机器人“spinobots”。该校细胞与发育生物学教授、研究带头人Martha Gillette说,虽然过去已经有生物机器人可以通过简单的肌肉收缩来前进,但脊髓的增加让它们有了更自然的行走节奏。
 
Gillette说:“这些都是朝着交互式生物设备方向前进的开始,同时这些生物设备也可用于神经计算和恢复医学。”。
 
研究以Emergence of functional neuromuscular junctions in an engineered, multicellular spinal cord-muscle bioactuator(一种工程化多细胞脊髓肌肉生物激励器中功能性神经肌肉连接的发现)为题,发表在了《APL生物工程》杂志上。
 
他们假设,一个完整的大鼠腰脊髓段可以与工程化的3D肌肉组织形成功能性神经肌肉连接,模拟周围神经系统的部分发育。
 
为了制造spinobots,研究人员首先用3D打印出聚乙二醇骨架:2个充作腿的柱状结构和1条灵活的“脊梁”,直径只以毫米计。然后,他们用肌肉细胞将其植入其中,待其生长成肌肉组织。最后,他们为其添加了来自大鼠的腰椎脊髓。
 
论文第一作者Collin Kaufman说:“我们特别选择了腰椎脊髓,因为之前的研究已经证明,它包含了控制行走过程中下肢左右交替的神经回路。从工程的角度来看,神经元是驱动更复杂、更协调的肌肉运动所必需的。神经支配最具挑战性的障碍是,以前从来没有人培养过完整的啮齿动物脊髓。”
 
实验结果验证了他们的假设,在脊髓被引入肌肉组织的7天内,就形成了功能性神经肌肉连接,从而在体外形成了早期周围神经系统。新神经支配的肌肉表现出自发的收缩,可以通过骨骼腿部的位移来测量。在化学刺激下,脊髓肌肉系统以一致的频率模式开始肌肉抽搐。
 
总的来说,试验数据表明,大鼠脊髓能够在离体之后与工程肌肉组织形成功能性神经肌肉连接。
 
下一步,研究人员计划进一步完善自旋机器人的动作,使它们的步态更自然。研究人员希望这种小范围的脊髓整合是建立外周神经系统体外模型的第一步,这在活体病人或动物模型中是很难研究的。
 
Kaufman说:“体外培养的外周神经系统——脊髓、神经生长和神经支配肌肉——的发展,可以让研究人员更容易接触到所有受影响的成分,实时研究ALS等神经退行性疾病。”这项技术也有多种方法可以用作手术训练工具,从充当由真实生物组织制成的练习假人到实际帮助完成手术本身。目前,这些应用还处于相当遥远的将来,但包含完整的脊髓电路是向前迈出的重要一步。”


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