再生医学革命：利用类人机器人培养细胞组织，再移植到人体

在过去十年里， 类人机器人 的研究取得了令人兴奋的进展。类人 机器人 的巨大潜在价值包括从个体援助到药物和太空探索等各种应用。特别地， 肌肉骨骼类人机器人 （如Kenshiro和Eccerobot）已经问世，以一种更安全、更自然的方式与人类进行互动。它们的目标是精确复制人体肌肉骨骼系统的详细解剖结构，包括肌肉、肌腱和骨骼。

由于人造肌肉在支撑它们的结构，肌肉骨骼类人机器人有能力更准确地模拟人类关节所具备的多种自由度和正常范围的力量。 因此，它们在科学和医学领域提供新的机会也就不足为奇了。在这里，我们建议肌肉骨骼机器人可以帮助培育用于组织移植的肌肉骨骼组织。

随着人口的老龄化，肌肉骨骼组织的病变和损伤成为了不断加重的健康、社会和经济问题。各种组织疾病，比如肌腱、韧带、骨头和软骨的疼痛和缺乏流动性，都是常见的问题。 一种很有希望的修复策略是组织移植。 组织工程由生物反应器系统的发展所推动。它控制着维持体外的细胞和组织存活所必需的环境条件。它们还提供化学和 机械刺激 ，促进组织结构中特定细胞表型的分化。然而，为了实现功能性组织移植，需要更先进的生物反应器。特别地，目前的生物反应器提供的刺激不能模拟细胞真实的机械环境，从而阻碍或阻止了与临床相关的移植。

机械刺激是肌肉骨骼组织在体内和体外成功存活的关键。 与静态条件相比，在体外施加的动态应力通常能提高组织结构的机械性能，并能导致更大的细胞数量，更多的基质沉积，以及更好的细胞分化。 此外，已知的多维应力能提高生物工程组织的功能。总体来说，文献证据表明，体外的机械刺激应尽可能地模拟体内组织所经历的压力。

然而，目前在肌肉骨骼组织工程中研制的生物反应器系统相对较为初级。 典型的组织生物反应器是一种坚硬的外壳，作为培育室使用（培养组织结构），配套线性执行器，将组织结构置于周期性载荷之下。这些简易生物反应器通常能够通过可编程的载荷机制施加单轴或双轴压力。目前生物反应器的主要局限在于它们并不能很好地模仿人体中存在的机械负荷。

为了产生适合临床使用的移植物，未来的生物反应器将需要1）通过张力、扭转、压缩和剪应力的组合来提供多方向的应力；2）根据解剖位置调整每个组织的载荷机制；3）使组织结构与它们的原生组织相似。考虑到上述因素，我们可以创造先进的生物反应器，它们的结构、维度和力学特性与人体的组织结构相似。在这种背景下，类人肌肉骨骼机器人具有重大的意义。通过模仿人类骨骼结构和不同活动中的身体动作，它们可以帮助克服当前生物反应器的局限性。

设计“类人生物反应器”系统需要考虑几个因素，比如：机器人如何与环境进行互动？与简易生物反应器相比，类人机器人与环境和真实物体自由互动的能力可能是一个优势。这可能会给组织结构带来更真实的压力，并最终实现更好的功能或有针对性的移植。如何驱动类人生物反应器？ 在机器人中（比如Kenshiro和Eccerobot），无弹性的弦所激励的类橡胶材料模仿主要的肌肉和肌腱，它们连接到由电动机所驱动的转轴上。然而，新型机器人也使用了气动人造肌肉，这表明在软体机器人中开发的其他材料，比如电活性聚合物人造肌肉，也可以在肌肉骨骼类人机器人身上实现，以提供更好的力学效果。

虽然本文中，我们无法想象用人工合成的组织取代驱动系统，但将类人机器人与基于细胞的致动器相结合可能也会成为未来的一种策略。如何感受和控制力量？确保组织的正常发育非常重要。特别是，随着组织的生长和成熟，监测结构机械性能的变化，可能会帮助类人机器人优化载荷机制。在这类应用中，灵活且可伸缩的传感器，例如软体机器人使用的传感器，可能最为合适。

在当前生物反应器中使用的典型传感器也可以帮助类人机器人评估（并响应）组织形成的进展。 例如，通过监测培育室内的pH值、葡萄糖和乳酸含量进行评估。类人生物反应器系统可能会在医学、科学和技术领域开启无数的机会，本着“科学为机器人，机器人为科学”的精神。特别地，它们可能1）引导更多的临床相关的肌肉骨骼组织移植的制造，尤其是，通过将机器人的形态和力学与患者的需求相匹配，允许个性化的组织移植；2）支持多期结构构造的发展，如骨-腱-肌移植，这是组织工程中的一个重要发展领域，因为愈合过程中的失败往往发生在组织之间的连接处；3）提供对力学生物学和组织愈合机制的进一步认识；4）快速筛选潜在的肌肉骨骼修复支架，减少在临床前试验中实验动物的使用；以及5）考虑到基于细胞的执行器的出现，加快更安全、活动更自然的肌肉骨骼机器人的发展，并导致生物杂交类人机器人的发展。

总之，更深入地探索类人机器人作为再生医学工具的潜能在技术上是可行的，在科学上也会有所帮助。这一领域的进步可能会为多个学科带来令人兴奋的应用。