梦晨发自凹非寺量子位报道|公众号QbitAI

　　一只虫仿佛开了上帝视角，毫不犹豫地一次性穿过迷宫爬到终点：

　　这条长度约1厘米，宽度80微米的虫，还是在麻醉状态，神经系统无法向肌肉传达运动指令。

　　而控制它运动的，是视觉反馈导航算法。

　　它成了一条赛博虫，一个活着的微型机器人。

　　微米级机器人在医疗领域有很高的应用价值，比如可以在人体内自主行动，把药物精准地送到能发挥药效的地方，还可以辅助精子移动帮助人工受孕。

　　这项把科幻场景带到现实的研究，来自加拿大麦吉尔大学的90后博士董先科，相关论文刊登在Science子刊ScienceRobotics上。

　　不过，为什么不是从头造一个机器人，而用虫子代替呢？

　　因为微型机器人在技术上还面临着几大难题：

　　工艺上，微米尺度下的机器人如何制造、装配，又该如何供能？控制上，如何精密控制微型机器人的运动，又该如何测量？原理上，微米环境下物理定律的尺度都缩小了，摩擦力与粘滞力的作用要比重力大上几个数量级，如何让机器人高效运动？

　　董先科脑洞大开，能不能借用一下现成的生物身体？

　　自然进化出来的生物已经适应了微米环境的运动方式，还会自己吃饭喝水供能，只要想办法进行控制，问题就都解决了。

　　于是他盯上了线虫。

被研究得明明白白的虫

　　研究选用的是秀丽隐杆线虫，这种线虫已经是各类科学研究的常客。

　　因为它容易繁殖，而且全身透明，观察起来很是方便：

　　它还有一个特点是结构简单，成虫只有大约1000多个体细胞。

　　其中神经细胞有302个，它的神经系统全部的连接已被科学家画出图谱，还能实时成像。

　　可以说是被研究得明明白白的了。

　　现在微型机器人身体已经找到了，接下来要解决的是如何控制它行动。

用算法取代大脑

　　刺激线虫肌肉运动的是光信号。

　　用波长473纳米的蓝色激光照射肌肉细胞，可以刺激细胞上ChR2通道打开，让钙离子进入刺激肌肉的收缩，从而控制线虫肌肉的运动。

　　这项技术叫做光遗传学，是一项整合了光学、软件控制、基因操作技术、电生理等多学科交叉的生物工程技术。

　　首先用化学方法阻断线虫的运动神经元与肌肉细胞的信息传递。

　　然后，通过机器视觉算法实时分析线虫的姿态和周围的环境。

　　用微米级激光束精准照射线虫的不同部位，来控制移动方向，实现了“用算法取代大脑”。

　　完整的实验装置示意图是这样的：

一个开创性思路

　　这项研究除了开辟活体生物与机器人结合的新思路以外，对其他相关领域也很有启发。

　　对于传统机器人，微米环境下的运动与日常宏观运动有很大差别，往往运动速度和效率不高。

　　通过精确控制线虫运动结合肌肉活性的荧光成像，可以帮助微米尺度下蛇形运动的动力学研究，指导新型机器人的设计和控制。

　　对于医疗，用微米激光束精密操控肌肉细胞活性的实验，对瘫痪疾病的治疗也有启示意义。

　　研究中开发的分析线虫运动的算法代码还发在了GitHub上开源。

　　本文第一作者董先科，于2012年在哈尔滨工业大学航天学院自动化专业完成本科学习。

　　2014-2019年在加拿大麦吉尔大学机械工程系获得博士学位，主攻机器视觉，微机器人，以及机器人精密操作研究方向。

　　2017-2019年在加拿大多伦多大学机械与工业化学院学习访问，完成博士课题。

　　2019年至今在加拿大多伦多一家科技公司担任算法研发工程师，负责嵌入式高帧率目光跟踪系统的算法开发，以及在医疗AR和辅助驾驶场景的应用。

　　他的研究兴趣包括了图像处理与机器视觉，机器学习与深度学习，微机器人和机器人控制等方向。

　　近年在ScienceRobotics,IEEET-MECH,IEEET-ASE,IEEET-BME,IEEET-NBS,ICRA等权威期刊和会议发表学术论文20余篇，曾以第一作者身份获得机器人领域顶级学术会议ICRA2015的最佳会议论文提名奖和最佳自动化论文提名奖。

　　通过这项研究，他对机器人有了新的感悟：

　　生物本身即最完美的机器人。

　　论文地址：https://robotics.sciencemag.org/content/6/55/eabe3950/tab-figures-data

　　相关代码：https://github.com/BionDong/worm-locomotion-feature-analysis

　　参考链接：[1]https://www.nature.com/articles/d41586-019-02006-8

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