用机器“大脑”操纵活线虫运动,微型机器人新研究登 Scien或启发线虫神经学及微型机器人相关研究

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给一个活物生物身体引入设备的“人的大脑”，随后人为因素操纵该生物的个人行为，早已从科幻电影踏入现实世界。

今日，国际性智能机器人学术研究顶刊 Science Robotics 上全新发布的一篇新毕业论文，叙述了一种用机器视觉技术、运动控制系统和导航栏等优化算法替代线虫人的大脑、高精密操纵活物线虫健身运动的新方式 ，造就出一个不会受到拘束的、高宽比可控性的小型软体机器人，并将其取名为 RoboWorm。

毕业论文连接：https://robotics.sciencemag.org/content/6/55/eabe3950

该毕业论文题目为《根据光基因遗传运动控制系统秀美隐杆线虫，完成活的小型软体机器人》（Toward a living soft microrobot through optogenetic locomotion control of Caenorhabditis elegans），由加拿大多伦多大学机械设备与现代化学校与 Lunenfeld-Tanenbaum 研究室协作进行。

“生物自身即最极致的智能机器人。”毕业论文第一作者董先科博士研究生告知智东西，从机器人学的视角，这一科学研究等同于干了一个μm限度的蛇形机器人，只不过是用了生物自身的肌肉细胞做为电动执行机构，这促使微型机器人越来越更为机敏，也更像真真正正实际意义上的智能机器人。

一、破译微型机器人的健身运动控制系统短板

学习培训当然生物的健身运动是设计方案微型机器人最有效的对策之一。

归功于数百万年的演变，生物们发展趋势了繁杂的身体构造、高效率的能量流动和优秀的健身运动自动控制系统，这种系统软件超出了一切人工合成设备。

这种生物的特点，为各种各样微型机器人的设计方案给予了极大的设计灵感。

微型机器人行业在 MEMS 技术性及其光离子注入技术性的迭代更新下，近十年来有长久的发展趋势，并逐渐在靶向治疗给药、精确测量细胞结构应变速率、輔助男性精子挪动人工受精等情景试着运用。

殊不知，与当然实体模型对比，生物启迪的微型机器人的构造一般被大幅度简单化，以推动微型机器人的生产制造和推动。因而，这类微型机器人的特性没法与生物体一概而论。

人们若要真真正正生产制造规格在百余μm甚至数μm的可控微型机器人，现阶段标准下，依然存有众多技术性短板。

例如在加工工艺层面，关键短板取决于怎样生产制造装和配微型机器人，如何给那么小的智能机器人磷酸原。

在基本原理短板层面，μm自然环境里黏滞力和滑动摩擦力比作用力大好多个量级，用哪种构造推动微型机器人健身运动，以进行明确每日任务。

在操纵层面，怎样精确测量微型机器人的健身运动，组成闭环控制，怎样对那么小的智能机器人完成高精密操纵这些，全是当今科学研究遭遇的挑戰。

目前学术界开发设计的微型机器人结构相对性简易，多见简易的、能立即用尽离子注入技术性生产加工的薄膜光学体，如微纳米技术磁铁、μm球菌、μm管等。操纵性和作用大多数较为比较有限。而假如构造过度繁杂，在μm限度下，他们即便可以生产加工出去也难以安装。

对于这种发展瓶颈，本次在 Science Robotics 上发布的新毕业论文，明确提出了一种非常有“脑洞大开”的解决方法：用机器视觉技术、运动控制系统和导航栏优化算法取代生物的人的大脑，重新构建生物的感观运动系统，人为因素操纵活物生物的健身运动，立即将μm级生物开发设计为可控微型机器人，以进行μm自然环境下的特殊每日任务。

▲秀美隐杆线虫光照推动激话肌肉群

二、融合机器视觉技术优化算法，高精密操纵活物线虫

此项科学研究挑选的生物目标是秀美隐杆线虫。

秀美隐杆线虫是生物学中唯一一个神经细胞联接投射图被彻底揭露的实体模型生物，身体全透明，成年人体长短约 1 公分，总宽约 80 μm，身体里一共 302 个神经细胞。有关秀美隐杆线虫的科学研究各自在 2002、2006、2008 年造成了三个诺奖。

▲秀美隐杆线虫

做为一种软件生物，线虫的身体每一个地区都能弯折，有着无尽可玩性。近些年，伴随着神经网络算法的发展趋势，大家对生物本身的中枢神经系统数据信号传送解决的原理分析有更急切的要求。秀美隐杆线虫也变成神经系统生物学乃至人工智能技术课程的科学研究网络热点之一。

根据一系列生物有机化学及其工程项目方式，该科学研究将活的线虫变成了能够人为因素高精密操纵的微型机器人。

最先，学者用有机化学方式 阻隔了线虫的运动神经元与肌肉细胞组的信息的传递，将线虫的中枢神经系统临时麻醉剂，促使当场依然是活的，但它的人的大脑没法向全身肌肉传递健身运动命令，即控制不了本身健身运动。

随后，根据机器视觉技术优化算法即时剖析线虫的形状和周边的自然环境，剖析結果，在进一步模型和控制系统综合性以后，用光遗传学的方式 ，控制μm激光高精密集中控制肌肉细胞群组的主题活动，完成线虫总体的闭环控制运动控制系统。进而用优化算法替代线虫的“人的大脑”，重新构建线虫感观健身运动对系统身体的操纵。

▲线虫闭环控制系统之字形实体模型与自动控制系统构架

实际来讲，充分考虑照明灯具光照强度、光学显微镜聚焦点情况、小虫子尺寸等影响要素，科学研究工作人员收集了好几千张自然情况的小虫子持续爬取的相片，在这个基础上设计方案机器视觉技术优化算法。据董先科详细介绍，该优化算法在一般的笔记本上也可以完成 50fps 的速率，有关编码已公布。

开源系统详细地址：https://github.com/BionDong/worm-locomotion-feature-analysis

随后，控制系统会依据机器视觉技术优化算法精确测量的物理学情况，测算当今時刻必须用多少的激光器抗压强度，来激话或抑止哪组肌肉细胞，进而控制线虫向设置的部位挪动。

为了更好地高精密的集中控制牵张反射，必须激光有体细胞级的精密度。因此，科学研究工作人员改裝了一台倒置显微镜，而且在上面构建了一个激光投影机系统软件。

▲根据倒置显微镜的激光投影机系统软件的硬件配置构架

该系统软件用数字小型元器件 DMD 反射面 473nm 的深蓝色激光，构建一些光电器件让激光通过显微镜物镜变小上千倍，随后聚焦点在线虫的身上，最终根据给 DMD 程序编写来操纵激话或抑止什么肌肉细胞。

现阶段这一系统软件可以做到 3 μm的投射精密度，基本上能够完成对单独肌肉细胞的光遗传学操纵。

▲不一样激光器抗压强度下，线虫的全身肌肉弯折反映

学者在这类人为因素更新改造的活物智能机器人上，设计方案优化算法完成了线虫在当然情况下被观查到的全部五种运动模式，并授予了当然情况下线虫沒有的“全局性视觉效果”：根据运动控制系统和导航栏优化算法，高精密控制线虫智能机器人躲避障碍物，一次性根据谜宫。

▲操纵智能机器人线虫根据谜宫

三、为新式蛇形机器人科学研究给予新理念

毕业论文第一作者董先科是一位 90 后青年人专家学者，2012 年在哈工大航空航天学校自动化机械专业进行大学本科学习培训，2014-2019 年在澳大利亚麦吉尔大学机械设备工程学院得到博士研究生，主要机器视觉技术、微型机器人，及其智能机器人高精密实际操作研究内容。

自 2019 年迄今，董先科在澳大利亚多伦多市一家科技有限公司任优化算法技术工程师，承担内嵌式高帧率眼光追踪系统软件的优化算法开发设计，及其在诊疗 AR 和辅助驾驶情景的运用。先前他曾以第一作者真实身份得到智能机器人行业顶尖学术会 ICRA 2015 的最好会议论文提名奖和最好自动化技术毕业论文提名奖。

▲毕业论文第一作者董先科

他详细介绍道，μm自然环境下，因为物理定律的限度变小效用，黏滞力和滑动摩擦力比作用力要大好多个量级。因而μm自然环境下的运动性方式，例如病菌的微绒毛健身运动、男性精子的游水健身运动、线虫的环形健身运动等，与日常宏观经济运动模式有非常大差别。

生物有着机敏的身体和对自然环境的高宽比融入，具备靠谱和高效率的纯天然特性。将μm自然环境里日常生活的生物更新改造为微型机器人，是微型机器人行业的全新升级构思，也对日后人工合成微型机器人给予了回顾性分析。

现阶段理论蛇形机器人的开发设计通常将其等额的为串连构件实体模型，用拉格朗日方程组开展刚体模型。但这类传统式方式 忽视了智能机器人和自然环境繁杂的结构力学互动，因而蛇形机器人健身运动速率和高效率通常不高。

文中根据模型模拟仿真及其一系列试验，揭露了线虫在环形健身运动全过程中全身肌肉的活性部位与身体的折射率中间存有相位角，并从基础理论和试验两层面认证了此相位角是推动线虫环形爬取的运动模式的缘故。该成效对新式蛇形机器人的设计方案模型与操纵有关键的指导作用。

▲线虫往前和向后爬取全过程中的相位差差别

最终，文中示范性了用μm激光高精密操纵全身肌肉细胞活性的试验。此方式 对别的生物偏瘫疾病的治疗也是有启发实际意义。

在此项研究中，研究精英团队干了许多基本的动力学模型研究，研究μm下的“蛇”怎样爬动。或许未来某一天能为此为基本，作出人工合成的μm蛇形机器人，将之放进人的毛细血管或是消化系统里为人正直看病。

董先科说，他下面的研究方案是进一步设计方案规格稍大的人工合成蛇形机器人，随后用如今做出去的实体模型开展操纵，由于大量地考虑到到智能机器人和自然环境的结构力学互动，预期很有可能提高许多层面的特性。

另一方面，这一线虫智能机器人能够做为一个研究线虫神经学的极好服务平台，例如研究这一仅有 302 个神经细胞的实体模型生物是否有下意识记忆力，或是如何组成下意识记忆力。据他表露，有一些与线虫生物学者协作的课题研究已经进行。

总结：或启迪线虫神经学及微型机器人有关研究

因为生物中枢神经系统的工程项目或再次设计方案具备趣味性，再再加上欠缺精确叙述生物个人行为的生物结构力学实体模型，大部分生物混和微型机器人的设计方案仅涉及到简易的生物部件，不具有在健身运动期内融洽这种推动部件的人体级智能化。

整体看来，此项将活线虫转换为小型软体机器人的新研究，为秀美隐杆线虫以及他线虫的神经学研究给予了一个极好的服务平台，亦对μm限度下智能机器人的开发设计亦给予了开拓性的构思。融合全身肌肉活性的莹光显像，该研究还对μm限度下环形健身运动的动力学模型研究有示范性实际意义。