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如何製造一條魔鬼魚?

2016/7/9 — 18:07

美國哈佛大學的生物工程學家柏加教授 (Prof. Kit Parker) 有一天帶着女兒到水族館參觀。當他的女兒想伸手觸摸水族箱裏的魔鬼魚的時候,那條魔鬼魚便逃跑了。這樣一個自然的動作令柏加教授有一個想法: 「我們可不可以製造一個以肌肉為主的機械系統?」

接下來的日子,柏加教授和他的團隊便開始設計這條小型的軟組織機械魚。這條體積比一個五毫子還要小的人造機械魚,其實一點也沒有機械的成份。牠是由四層物料組成,包括最外層、以魔鬼魚為外型的 3D 彈性軟膠外殻丶一塊薄金片支架丶一層薄的彈性物料丶以及一層為數 20 萬、以纖維蛋白連着的大鼠心肌細胞。

心肌細胞是組成心臓肌肉的主要細胞,而心臓的跳動便是由這些心肌細胞有節奏的收縮及放鬆所帶動。心臓有系統的跳動便能把血液推向全身。科學家選擇這些細胞的原因,是這些細胞的收縮及放鬆的原理和心臓跳動的原理一樣,可以推動魔鬼魚的軟膠驅殻向前。

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這條魔鬼魚既沒有安裝電池,也沒有其他發電裝置,牠是如何游動的呢?科學家利用基因工程使這些心肌細胞能對光源刺激有反應。因此,當光源放在魔鬼魚前面的時候,心肌細胞便能作出反應而收縮,並帶動魚鰭向下。而薄金片支架的設計,可以把細胞收縮的能量儲存,並在細胞放鬆的時候像彈弓一樣釋放出來,帶動魚鰭向上。

科學家利用光源,甚至可以控制人造魔鬼魚游動的方向,使之避過障礙物。不同頻率的光更可以令魔鬼魚有不同的游動速度。實驗證明,即使魔鬼魚「誕生」6 天後,牠仍然可以保持最初游動的八成速度。

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由於心肌細胞是由大鼠而來,因此人造魔鬼魚需要放在溫度 37ºC 的生理鹽水以及利用葡萄糖作為能源。但是細胞本身質地脆弱,也很受外在環境影響,而細胞生長到某個階段也會自然死亡,因此距離製造複雜和以活細胞為主的人造生物仍然有很大的挑戰。但肯定的是,這樣的一個可以自我推動的半生物合成體,會對製造人工心臓或人工生物的研究踏上重要的一步。

參考文章:

Science, Robotic stingray powered by light-activated muscle cells , 7 July 2016

Park, S.J., Gazzola, M., Park, K.S., Park, S., Santo, V.D., Blevins, E.L., ... & Parker, K.K. (2016). Phototactic guidance of a tissue-engineered soft-robotic ray, Science, 353, 6295. DOI: 10.1126/science.aaf4292

原文刊於作者博客

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