記者 俞陶然
你聽說過“生物混合機(jī)器人”嗎？
這是一種將生命系統(tǒng)與機(jī)電系統(tǒng)有機(jī)融合的機(jī)器人形態(tài)，兼具高能量轉(zhuǎn)換效率、強(qiáng)適應(yīng)性、自我修復(fù)功能、環(huán)境交互功能等生物特性和高精度控制、復(fù)雜任務(wù)執(zhí)行能力、可批量制造等機(jī)電優(yōu)勢，是機(jī)器人未來發(fā)展的新范式。近日，上海市科委發(fā)布“先鋒者計(jì)劃”（生物混合機(jī)器人主題）項(xiàng)目申報(bào)指南，引起很多科研人員的關(guān)注。
“多學(xué)科與前沿技術(shù)交叉，是這個(gè)項(xiàng)目的最大特點(diǎn)。”華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副院長葉海峰說，“據(jù)了解，很多高校科研人員想通過跨學(xué)科合作申報(bào)這個(gè)項(xiàng)目，競爭會(huì)非常激烈。”
“先鋒者計(jì)劃”生物混合機(jī)器人主題的設(shè)立，源于市科委建立的全球前沿科技動(dòng)態(tài)掃描機(jī)制。相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，美國、以色列、日本和新加坡等國家的多所高校在研究生物混合機(jī)器人。為引導(dǎo)上?？茖W(xué)家探索這一前沿交叉領(lǐng)域，定位于早期技術(shù)篩選和概念驗(yàn)證的“先鋒者計(jì)劃”應(yīng)時(shí)而生。
掃描全球前沿科技
市科委介紹，“先鋒者計(jì)劃”將不定期遴選主題并發(fā)布項(xiàng)目申報(bào)指南，生物混合機(jī)器人是這項(xiàng)計(jì)劃的首個(gè)主題。上海市科學(xué)學(xué)研究所的吳文偉博士說，近年來全球科技創(chuàng)新呈現(xiàn)出一種新趨勢——技術(shù)生命周期變短，技術(shù)突破頻率加快，技術(shù)復(fù)雜度增大，導(dǎo)致技術(shù)發(fā)展存在高度不確定性，節(jié)奏較慢的傳統(tǒng)科研模式已難以適應(yīng)這種趨勢。因此，有必要在科技項(xiàng)目布局中采取加速試錯(cuò)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化的策略，分散布局高風(fēng)險(xiǎn)高回報(bào)項(xiàng)目，主動(dòng)應(yīng)對未來技術(shù)的不確定性。
生物混合機(jī)器人就是一個(gè)研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)高，但有很大應(yīng)用潛力的技術(shù)方向。全球前沿科技動(dòng)態(tài)掃描顯示：在美國，哈佛大學(xué)和埃默里大學(xué)利用人類心臟細(xì)胞制造出生物混合機(jī)器魚，其肌肉收縮強(qiáng)度、肌肉協(xié)調(diào)性和游泳速度隨心肌細(xì)胞的成熟而提升，最終達(dá)到與野生斑馬魚相近的性能水平；在日本，東京大學(xué)和早稻田大學(xué)開發(fā)出含有肌肉纖維的生物混合機(jī)械手，它受電流刺激后可抓取、移動(dòng)物體并做出復(fù)雜手勢；在新加坡，南洋理工大學(xué)研制的“半機(jī)械蟑螂”已用于地震救援。它們是經(jīng)過改造的馬達(dá)加斯加發(fā)聲蟑螂，攜帶熱成像相機(jī)、導(dǎo)航傳感器和無線通信設(shè)備，能進(jìn)入廢墟縫隙搜尋被困者。
基于全球掃描，上海市科學(xué)學(xué)研究所認(rèn)為，生物混合機(jī)器人具有變革性，未來有望應(yīng)用于工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)診斷與治療、災(zāi)害救援、未知地形探索、環(huán)境污染治理等領(lǐng)域，可開展前瞻性立項(xiàng)布局。
“這個(gè)專項(xiàng)的執(zhí)行期限是一年，每項(xiàng)資助額度不超過100萬元，根據(jù)里程碑節(jié)點(diǎn)驗(yàn)收情況分批撥付，體現(xiàn)了加速試錯(cuò)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化的特點(diǎn)。”吳文偉說。
組建學(xué)科交叉團(tuán)隊(duì)
在流程設(shè)計(jì)上，“先鋒者計(jì)劃”也有創(chuàng)新之處。它的項(xiàng)目征集時(shí)間長達(dá)6個(gè)月，根據(jù)項(xiàng)目申報(bào)情況每1—2個(gè)月組織一次評審和立項(xiàng)，讓科研人員有充足的時(shí)間準(zhǔn)備，組建申報(bào)項(xiàng)目的學(xué)科交叉團(tuán)隊(duì)。在項(xiàng)目評審上，采用“摘要篩選+會(huì)議評審”方式。為減輕申請者負(fù)擔(dān)，摘要篇幅限定在5頁，要求凸顯應(yīng)用場景和創(chuàng)新亮點(diǎn)。
作為參與項(xiàng)目策劃的科學(xué)家，葉海峰回憶：“今年春節(jié)假期剛過完，我就接到電話，通知我當(dāng)天晚上6點(diǎn)到市科委開會(huì)，討論生物混合機(jī)器人。”此后，他作為論壇主席，負(fù)責(zé)籌備了2025浦江創(chuàng)新論壇·前沿與交叉創(chuàng)新專題論壇“生物混合機(jī)器人”專場。論壇邀請到全國各地的多位相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)家以及產(chǎn)業(yè)界、投資界人士，通過研討，明確了“先鋒者計(jì)劃”（生物混合機(jī)器人主題）項(xiàng)目申報(bào)指南的基礎(chǔ)內(nèi)容。
這份項(xiàng)目指南規(guī)定，生物混合機(jī)器人應(yīng)滿足三個(gè)條件：由生物組件（組織、器官、微生物等）與非生物組件（機(jī)電系統(tǒng)、合成材料等）融合形成的智能系統(tǒng)；包含傳感器、處理器和執(zhí)行器等基本功能單元；具備自主或半自主的環(huán)境交互功能。
指南設(shè)立兩個(gè)專題方向，包含活體組織驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人、生物器官增強(qiáng)的機(jī)器人、半生物半機(jī)器人、微生物或細(xì)胞機(jī)器人以及多個(gè)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)課題。
推動(dòng)跨學(xué)科合作
近年來，葉海峰團(tuán)隊(duì)找到光遺傳學(xué)這個(gè)接口，將光控系統(tǒng)與電子軟件工程技術(shù)結(jié)合，開發(fā)出一種通過智能手機(jī)無線遠(yuǎn)程調(diào)控“光控定制細(xì)胞”基因表達(dá)的裝置。在糖尿病小鼠實(shí)驗(yàn)中，他們用手機(jī)App調(diào)控“光控定制細(xì)胞”表達(dá)胰島素，達(dá)到降低血糖的效果。
華東師范大學(xué)副研究員管寧子正在研制一種“特工益生菌”，有望治療代謝性疾病。益生菌通過口服進(jìn)入人體后，80%以上會(huì)被胃酸殺死，如何保護(hù)它們活著進(jìn)入腸道，并在蠕動(dòng)的腸道內(nèi)定植較長時(shí)間？劉盡堯團(tuán)隊(duì)研制的納米材料可制成微生物“防護(hù)服”。這種非生物組件與益生菌融合后，有望開發(fā)成口服型智能活體藥物，讓穿上“防護(hù)服”的“特工益生菌”既能防御胃酸攻擊，又能在腸道定植，通過精準(zhǔn)控制藥物釋放，實(shí)現(xiàn)對代謝性疾病的長期有效控制。
在“先鋒者計(jì)劃”的推動(dòng)下，這種正在醞釀的跨學(xué)科合作還有很多。吳文偉介紹，生物混合機(jī)器人領(lǐng)域涉及生命科學(xué)、控制學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)、微納加工技術(shù)、人工智能、新興材料等多個(gè)學(xué)科與前沿技術(shù)，通過前瞻性立項(xiàng)布局，可以激發(fā)這些學(xué)科專家的合作積極性，引導(dǎo)他們探索前沿交叉新范式。研發(fā)出原型產(chǎn)品后，這些項(xiàng)目成果將接受技術(shù)可行性、市場可行性驗(yàn)證，為培育未來產(chǎn)業(yè)奠定基礎(chǔ)。
