『臺博新知』：仿生軟體機器鰩魚可望建造人工心臟

賴婉婷／國立臺灣博物館研究組

歐陽盛菊／國立清華大學工業工程與工程管理研究所碩士

歐陽盛芝／國立臺灣博物館

一款僅16公釐長、重量10毫克的微型仿生軟體機器鰩魚（tissue-engineered soft-robotic ray）突破生物和機器的界限，是運用組織工程學製成的半機械體，使用生物活體細胞且完美複製真正鰩魚（batoid fish）或魟魚的游泳方式，尺寸只有真實幼魚的十分之一，製造一條僅需一星期，未來將可望建造人工心臟。研究成果今（2016）年7月由美國哈佛大學帕克（Kevin Kit Parker）教授主導的國際研究小組在《科學》（Science）期刊發表，未來不僅可研發更多栩栩如生的合成動物，更可促進醫療設備的發展。

仿生軟體機器鰩魚具生物活體細胞且複製鰩魚或魟魚的游泳方式，是運用組織工程學製成的半機械體（繪製者：王美乃）。

組織工程學又稱為再生醫學，是指利用生物活性物質，通過體外培養或構建的方法，再造或修復人體器官和組織的技術。這類人造組織或人工器官的研發屬於綜合生物學、醫學、工程學等跨學科的生物醫學工程領域，困難度很高、卻具高需求性。

帕克教授認為鰩形目（Rajiformes）的鰩魚和魟魚之特殊體型及游動方式可增強對抗運動的穩定性，游動時改變方向的方式與心臟跳動有相似之處，能有效防止傾斜或翻轉，是研發機器人技術的理想生物模型。研究小組的仿生對象以英文名為Little skates的猬白鰩（Leucoraja erinacea）幼魚為主（避免被成魚尾鞭刺到導致中毒風險），其他英文名為Stingrays、Skates或Rays的藍斑條尾魟（Taeniura lymma）和奧氏江魟（Potamotrygon orbignyi）為輔。牠們的身體扁平，菱形體型係因發達的胸鰭像一對翅膀與身體結合，尾鞭細長並有毒刺，游泳時翼狀胸鰭以波浪形擺動，能高效率的快速游動。一般棲息在深度100米以內的海底沙地，以小型貝類、甲殼類或魚蝦為食。

雪花鴨嘴燕魟（Aetobatus narinari）分布於熱帶和暖溫帶海域，其翼狀胸鰭呈波浪形擺動方式游泳（圖片來源：林士傑）。

微型機器鰩魚是結合活生物細胞與人工材料組成的複合體，也是光驅動機器人，如同猬白鰩有一個平滑的軀幹和長長的翅膀狀魚鰭，由透明彈性的有機矽（elastomer，聚二甲基矽氧烷PDMS）仿生皮膚包覆黃金骨架構成，最特別的是腹面皮膚下有肌肉層，當以藍光（波長465 nm）控制這層活肌肉細胞收縮時，它的翼狀胸鰭就會像真實鰩魚般進行波浪運動游泳，能藉由光線導引上下擺動魚鰭，在水中使用1.5Hz頻率的藍色雙光源LED可控制其活動。若同時用雙光源，一亮一滅時就會向前游動；如果只照射一邊魚鰭，觸發右邊或左邊蛇形肌電路就能讓它轉向；藍光亮滅的頻率（1-3 Hz）決定游泳速度，可達每小時約9公尺；若在約250 mm（其身長的15倍）距離以平均每秒1.5 mm速度沿著彎曲路徑引導，仿生鰩魚均可任意左轉或右轉，還能連續6天保持80%初始速度游動。

研究團隊使用鈦金屬模具以四層構造來架構機器鰩魚，完全複製猬白鰩由軟骨、雙層肌肉、和其他有機組織構成的胸鰭，第一層是用雷射3D切割成鰩魚形狀的有機矽透明彈性層，第二層使用穩定性高的惰性金屬黃金製成人造軟骨，第三層是防止心肌纖維細胞直接接觸金屬、造成細胞死亡的另一層有機矽透明彈性層，最後則是肌肉層。

肌肉層係採用2天大的大鼠胚胎心臟肌肉細胞，植入病毒感染後鑑識分離出的光敏基因（optogenetic molecular）片段，當這些心肌纖維細胞被藍光照射就會自行收縮，藍光消失後可重新伸展。研究團隊使用有機矽膜植入纖維連接蛋白（fibronectin）製作模板，以微接觸印刷（microcontact printing）技術，引導作為「種子」的心肌纖維細胞生長，約一周時間可培養出20萬個心肌纖維細胞，形成一個放射狀蛇形肌電路（serpentine patterned muscle circuits），類似真正鰩魚的肌肉纖維結構，肌肉內都具有肌節Z線，可確保肌肉纖維伸縮無礙。當心肌纖維細胞收縮可帶動魚鰭向下，黃金軟骨的彈性係數可支援骨骼系統的拮抗作用，使魚鰭向上回彈，構成一條會波浪運動的仿生機器鰩魚。惜因心肌纖維細胞不具免疫系統，在營養液中僅能存活一周，因此這條仿生鰩魚尚無法在營養液之外的環境「生存」。

此項成果證明組織工程和軟體機器人技術的結合具有巨大潛力，研究團隊未來可望利用反向工程技術，結合機器人工程學和基因生物學技術，製造出更多種類的肌肉泵、以建造出人工心臟，救治和延長病人壽命，提高人類生活品質。

（以上新聞編譯自2016年7月8日發行之Science期刊等）

（本文由科技部補助「向大自然借鏡：生物行為的科學解密」執行團隊撰稿）

責任編輯：歐陽盛芝／國立臺灣博物館

審校：歐陽盛芝／國立臺灣博物館

日期：2016/12/8

本單元學術名稱：生物醫農＞動物學

標籤：仿生軟體機器鰩魚可望建造人工心臟

資料來源：

Park, S. J., M. Gazzola, K. S. Park, S. Park, V. Di Santo, E. L. Blevins, J. U. Lind, P. H. Campbell, S. Dauth, A. K. Capulli, F. S. Pasqualini, S. Ahn, A. Cho, H. Yuan, B. M. Maoz, R. Vijaykumar, J. W. Choi, K. Deisseroth, G. V. Lauder, L. Mahadevan, and K. K. Parker. 2016. Phototactic guidance of a tissue-engineered soft-robotic ray. Science, 353 (6295): 158-162 (+ 41 pp. Supplementary Materials).

Pennisi, E. 2016. Robotic stingray powered by light-activated muscle cells. Science / News, July 7, 2016.

延伸學習：

Di Santo, V. and C. P. Kenaley. 2016. Skating by: low energetic costs of swimming in a batoid fish. Journal of Experimental Biology, 219(12): 1804-1807.

Yirka, B. 2016. Tiny soft robot stingray propelled by rat heart cells is guided by light. TechXplore / News, July 8, 2016.