你想象中的未来机器人是什么样子？是钢铁身躯的机械臂，还是能模仿人类动作的仿生体？

现在，科学家们正在创造一种全新的生命-机器混合体——类生命机器人。这些机器人不是冰冷的金属造物，而是由活体细胞与人工材料共同构建的“半生命体”，它们既能像生物一样高效利用能量、自我修复，又能像机器一样精准执行程序指令。

由于生物与机电系统的深度整合，类生命机器人正在全球范围内快速发展。不久前，来自中国科学院沈阳自动化研究所、沈阳建筑大学的研究团队在JCRQ1区期刊Biomimetic Intelligence and Robotics《仿生智能与机器人（英文）》上发表了一篇重要的综述，不仅对该领域进行了全维度的系统性解析，构建了完整的技术图谱，更清晰地勾勒了其发展全貌与未来方向。

▍从基础演示到智能控制：类生命机器人的进化之路

传统的机器人，无论多么先进，其核心驱动力依然来自电动机、液压缸或气压装置。这些动力源不仅效率有限，往往还伴随着动作僵硬、能耗偏高以及对复杂环境适应性不足等问题。而在自然界，经过亿万年进化，生物体早已将能量利用到极致。一块肌肉，能直接将化学能转化为机械能，其效率轻松超过50%；一个神经元网络，能以极低的能耗处理海量信息，并具备强大的学习和适应能力。

于是，一个颠覆性的想法应运而生：何不摒弃传统的电机，直接让这些精妙的生命单元成为机器人的“心脏”和“肌肉”？

类生命机器人系统的材料、制造与控制
 

早在21世纪初，科学家们便迈出了试探性的第一步。早期的探索主要聚焦于“让生物组件驱动机械”的可行性。科研人员尝试将肌肉细胞自组装成微器件，成功实现了简单的爬行运动，验证了生物组织作为“驱动器”的潜力。不过，这一阶段的机器人只能依赖生物组织的自发运动，比如心肌细胞的节律性收缩，无法对外界刺激做出响应。

随着光遗传学、微流控等技术的发展，研究进入了精准控制阶段。科研人员通过基因改造让细胞对光线敏感，再用微型光源刺激，就能精准控制机器人的运动方向和速度。比如一款光控机器人，在蓝光刺激下能以1.85毫米/秒的速度游动，还能灵活躲避障碍物。还有团队开发出无线光控机器人，通过射频信号驱动内置光源，实现了无需电线的自主行走，速度达到0.83毫米/秒。

类生命机器人的发展概述
 

如今，该领域已向“智能自主”迈进。科研人员将人工智能技术与生物系统结合，比如用深度学习控制磁驱动微型机器人，使其能自主避开障碍、精准到达靶细胞；通过构建神经-肌肉连接系统，让机器人能像生物一样对外界视觉刺激做出反应，实现主动收缩运动。从“被动驱动”到“主动控制”，再到“智能决策”，类生命机器人的进化之路，本质上是生物特性与工程技术的深度协同。

▍构建类生命机器人的核心：来自自然的活体材料

要构建一个类生命机器人，首先要选择合适的“生命零件”。这些活体材料，决定了它的基本能力与禀赋。

类生命机器人中活体材料的实例
 

目前应用最广泛的主要有四种：心肌细胞、骨骼肌细胞、昆虫肌组织和微生物。心肌细胞的优势是能自发节律性收缩，无需持续刺激，就像自带“发动机”，科研人员用它制造的仿生鱼，连续活动时间可达108天，相当于3800万次心跳；骨骼肌细胞可控性则更强，通过电刺激或机械刺激就能调节收缩力度，用它驱动的机器人，最高移动速度能达到2.38毫米/秒；

除了高等动物的细胞，一些更“皮实”的生命形式也进入了科学家的视野。例如，昆虫的肌组织。与哺乳动物细胞不同，许多昆虫肌肉能在5°C到35°C的宽温域内正常工作，且无需苛刻的恒温培养箱。这为开发能在室温甚至野外环境下长期工作的类生命机器人打开了大门。已有研究证明，用昆虫肌肉驱动的微型装置，在简单的营养液中就能存活并工作超过三个月。

而在微观尺度上，整个微生物本身就可以被改造为卓越的“微型机器人”。科学家们通过微纳加工，为这些微生物“穿上”可装载药物的微结构“背包”，或者为其赋予磁导航能力。于是，我们能看到，在微观世界里，由精子鞭毛推动的“运输船”逆着血液流前行；被磁场导引的磁性细菌“舰队”深入肿瘤组织。它们体积微小，却可能在未来的人体微创治疗和环境监测中扮演巨人般的角色。

▍为生命塑造骨骼：人工材料的巧妙支撑

活细胞是极其精密的，它们需要一个稳固的骨骼、舒适且功能化的环境才能存活、生长并发挥功能。这就轮到各种人工和天然材料大显身手了。它们如同建筑的骨架，为生命单元提供了结构支撑、生长环境和附着基质。

类生命机器人中人工材料的实例
 

生物惰性聚合物，例如广泛使用的聚二甲基硅氧烷（PDMS），因其良好的柔韧性、化学稳定性和易于加工的特性，成为制造微型机器人骨架、关节和流道的首选。它可以被铸造成极其精细的微观结构，比如比头发丝还细的沟槽或通道，用以引导细胞的定向生长或营养液的流动。

水凝胶是一种含有大量水分的三维网络材料，质地柔软湿润，极似天然的细胞外基质。它不仅能作为细胞生长的支架，其本身的性质（如软硬度、孔隙率）还能被精确调控，以模拟不同的人体组织环境。近年来，智能水凝胶更是大放异彩，它们能对光、温度、磁场或特定化学物质产生响应，发生形变或改变性质。

最理想的支撑材料，或许就直接来源于生命本身。从组织中提取的生物材料，如胶原蛋白、纤连蛋白、层粘连蛋白等，是构成我们身体细胞外基质的核心成分。当细胞遇到这些材料时，就像回到了最熟悉的故乡，能迅速识别、附着、伸展，并启动正常的生理功能。用这些材料制成的支架，生物相容性无与伦比，能最大程度地支持细胞的长时期存活和功能成熟。

▍从蓝图到生命体：如何“制造”一台类生命机器人？

将活体材料与人工材料结合，构建一个功能完整的类生命机器人，其过程本身就是一门融合了工程学与生物学的精妙艺术。它要求我们不仅懂得设计和组装，更要懂得“培育”和“生长”。

先进制造技术在类生命机器人中的整合
 

最基础也最核心的一步是组织培养。科研人员需要在无菌环境中，模拟生物体内的条件（37℃温度、特定pH值、5%二氧化碳浓度）培养活体组织。为了让细胞能够长成厚实、有力的三维组织而不仅仅是一层薄膜，研究人员们开发了 “微流控灌注”等多种先进方法。微流控技术的加入，还能精准控制营养物质的输送，解决了大尺寸生物组织因缺氧坏死的难题，让机器人尺寸突破10毫米限制。

当二维培养不足以实现复杂的三维结构时，3D生物打印便登场了。就像普通3D打印层层堆积材料一样，3D生物印刷能将细胞、水凝胶等生物材料精准沉积，构建出复杂的三维结构。科研人员已经能用这项技术打印出带有仿生血管网络的心肌补片，甚至初步的类器官结构。在类生命机器人领域，3D打印不仅能塑造承载细胞的复杂支架，还能将无线控制电路、柔性电极等电子元件直接封装集成进去，实现结构与功能的“一站式”制造。

要将生物体的信号与外部世界的控制指令联通，离不开生物微机电系统（Bio-MEMS）技术。这是微电子技术与生物学的深度交叉。研究人员利用柔性电子材料，制造出薄如蝉翼、可随组织一起弯曲伸展的微型电极和传感器阵列。这些柔性器件能与跳动的心肌或收缩的肌肉完美贴合，长期稳定地记录细胞的电活动，或向细胞传递精准的电刺激信号。

▍对话生命：控制类生命机器人的多种语言

拥有了可受控的生物执行器，下一步便是建立与它们沟通的“语言”。科学家们已经发展出了一套丰富多彩的“遥控”手段，各有优劣。

类生命机器人控制方法的示意图
 

光遗传学控制是目前最富潜力的精准遥控术。通过对目标细胞进行基因改造，使其表达一种对特定颜色光敏感的离子通道蛋白。当用相应颜色的光（如蓝光）照射时，这些通道便会打开，引发细胞产生动作电位，从而导致肌肉收缩。用这种方法，科学家只需用一束光扫过，就能让一条装载了光敏心肌细胞的“机器鱼”摆动尾鳍，按预定路线游动。光的开关毫秒之间，控制精度极高，且无需任何物理接触，对细胞非常友好。

电刺激控制则更为直接，它模拟了生物体内神经支配肌肉的自然方式。通过在培养的肌肉组织附近放置微电极，施加微弱的脉冲电流，便能直接触发肌肉的同步收缩。通过调节电流的频率、强度和时序，可以精确控制肌肉收缩的力度、速度和节奏，从而实现机器人行走、抓取等复杂动作序列。

磁场控制有强大的穿透力和无接触的远程操控能力。这种方法通常需要先将磁性纳米颗粒导入到目标细胞或微生物内部，使其本身具备磁性。随后，通过外部施加可编程的旋转或梯度磁场，就能远程驱动这些“磁化”的生命单元进行定向移动、旋转或聚集。

化学控制则利用生物组件对特定化学物质的自然响应。许多细菌和细胞能够感知环境中特定化学物质的浓度梯度，并主动向其趋近（趋化剂）或远离（趋避剂）。这种方法适合引导机器人在复杂环境中自主导航，但化学物质扩散缓慢，控制精度和响应速度相对较低。

目前，科研人员还在探索多模态协同控制，比如结合磁控和化学控制，先用磁场让药物递送机器人快速接近肿瘤区域，再通过化学信号引导其进入深层组织，实现“高效+精准”的双重目标。

▍未来图景：一场从前沿探索到场景应用的跃升

尽管前方仍有诸多挑战，例如如何为大型类生命机器人构建功能性血管网络以保证长期存活，如何进一步提升控制的智能化和自主性等，但其展现出的应用前景已足够令人心潮澎湃。

在医疗健康领域，类生命机器人有望带来范式革命。想象一下，可降解的类生命手术机器人能在完成微创手术后被人体自然吸收；由患者自身细胞构建的“活体”补片，能完美修复受损的心肌或骨骼肌；集成了神经接口的智能义肢，能通过解读残留肢体的肌肉电信号，实现如臂使指的操控，甚至能通过传感器将触觉、温度感“反馈”给大脑。

在环境修复与监测方面，它们同样大有可为。成群结队的类生命机器人可被部署到受污染的水体或土壤中，它们能自主搜寻重金属、有机污染物或微塑料，并将其富集或降解。具备感知功能的类生命传感器，可以长期布设在野外，实时监测环境变化，其本身可能就是一个自给自足的小型生态系统。

更进一步，随着感知与智能的深度整合，未来的类生命机器人可能具备生命系统的学习与适应能力。将三维培养的神经类器官与传感器阵列结合，或许能诞生出具有基础感知和决策能力的类生命机器人。它们处理信息的方式将不再是传统的数字逻辑，而是更接近大脑的模拟、并行、低功耗的方式。

▍结语：重新定义可能的边界

类生命机器人的研究，远不止是一项技术进步。它迫使我们重新思考一些根本性的问题：生命与机器的界限究竟在哪里？当我们用细胞作为零件来构建机器时，我们是在创造工具，还是在创造一种新的“生命”形式？

这条探索之路，无疑是漫长而艰辛的，它需要生物学家、机器人专家、材料科学家、临床医生和伦理学家前所未有的紧密协作。每一次突破，都不仅仅是技术手册上新添的一页，更是人类认知疆域的一次拓展。

在不远的未来，我们或许将习惯与这些半生命、半机械的伙伴共存。它们可能微小到穿梭于我们的血管之中，守护健康；也可能灵巧到在废墟的缝隙里穿行，实施救援。它们的力量，源自生命亿万年演变淬炼出的精妙；它们的行动，则由人类智慧赋予的目标所指引。

 

▍期刊介绍

Biomimetic Intelligence and Robotics（《仿生智能与机器人（英文）》，CN 37-1527/TP，ISSN 2667-3797）是由教育部主管，山东大学主办，山东大学科技期刊社与科爱联合出版的国际学术期刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划。期刊聚焦仿生学、机器人与人工智能相关领域，接收包括原创研究论文、综述、短通讯等多种类型的文章，对作者和读者均免费，首轮审稿周期30天。目前已被ESCI(IF=5.4, JCR Q1区)、EI、Scopus、CSCD、INSPEC、DOAJ和中国科技核心等国内外重要数据库收录。
 

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667379725000543#sec2