隨著生物研究和生物工程的發(fā)展，生物混合機器人（Biohybrid Robotics）領(lǐng)域進展迅速，為傳統(tǒng)機器人提供了創(chuàng)新的技術(shù)框架，開啟了半機械化生物時代。越來越多生物混合機器人被成功開發(fā)，預(yù)計將對工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境修復(fù)和軍事行動等各個領(lǐng)域帶來革命性影響。生物技術(shù)的雙重用途屬性使其成為影響國家安全、軍事競爭和未來戰(zhàn)爭形態(tài)變革的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，隨著生物工程、人工智能和材料科學(xué)等學(xué)科的進一步融合，生物混合機器人有望為未來戰(zhàn)場提供新型作戰(zhàn)力量。

一、傳統(tǒng)與生物融合機器人系統(tǒng)的范式演進

傳統(tǒng)機器人系統(tǒng)，無論基于剛性或柔性機械架構(gòu)，其核心構(gòu)成普遍依賴工程化構(gòu)件與人工合成材料。當(dāng)前，前沿研究正致力于將活體細(xì)胞、生物組織及微生物有機體等生命單元整合至機器人系統(tǒng)架構(gòu)中，組成新型混合機器，由此構(gòu)建了機器人技術(shù)與生命科學(xué)深度交叉的創(chuàng)新性技術(shù)框架，形成了新的跨學(xué)科領(lǐng)域。

此類生物混合系統(tǒng)（Biohybrid Systems）中采用的活體功能材料，憑借其固有的靈活性、自主性、生物可降解特性、自組織修復(fù)能力及環(huán)境自適應(yīng)性等，為機器人驅(qū)動機制與控制策略的革新迭代提供了全新范式，不僅增強機器人系統(tǒng)的韌性，還提高了機器人的機械性能和智能控制，從而使其能夠更高效地感知周圍環(huán)境、實現(xiàn)自主移動以及精準(zhǔn)執(zhí)行任務(wù)。作為一種具有變革性的機器人技術(shù)，生物混合技術(shù)在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)診斷與治療、災(zāi)害救援、未知地形探索以及環(huán)境污染治理等領(lǐng)域展現(xiàn)出極高的應(yīng)用價值。

二、生物混合機器人的當(dāng)前進展

（一）組織工程生物混合機器人

組織工程生物混合機器人融合活體細(xì)胞、生物組織與工程材料，其核心功能主要基于細(xì)胞的代謝活動以及組織的力學(xué)特性。

一是基于細(xì)胞代謝的自我組裝與修復(fù)能力。2020年，美國塔夫茨大學(xué)利用非洲爪蟾胚胎細(xì)胞創(chuàng)造出全球首個具備移動能力和自我修復(fù)功能的多細(xì)胞生物機器人Xenobots。2022年，哈佛大學(xué)與埃默里大學(xué)利用人類心臟細(xì)胞制造出合成魚。該機器魚的肌肉收縮強度、最大游泳速度和肌肉協(xié)調(diào)性隨心肌細(xì)胞的成熟而顯著提升，最終達到與野生斑馬魚相近的性能水平。2023年，塔夫茨大學(xué)與哈佛大學(xué)利用人類氣管細(xì)胞構(gòu)建出微型生物機器人Anthrrobots，其可在實驗室培養(yǎng)皿表面移動，并具備自我組裝能力，同時對其他細(xì)胞具有一定的愈合作用。2024年，美國康奈爾大學(xué)將杏鮑菇的菌絲體培育成機器人的電子控制裝置。菌絲體能夠感知和響應(yīng)環(huán)境變化，從而引導(dǎo)機器人的運動行為。

二是基于肌肉組織的靈活性和自適應(yīng)能力。2023年，美國伊利諾伊州大學(xué)香檳分校和西北大學(xué)開發(fā)出具有遠程控制功能的微型生物機器人eBiobots，其依靠由生長在3D打印聚合物骨架上的小鼠肌肉組織進行驅(qū)動。2024年，日本東京大學(xué)將骨骼肌肉組織與人造材料結(jié)合，設(shè)計出專門用于水下操作的雙足生物混合機器人，其能夠以人類雙足行走的方式實現(xiàn)前進和轉(zhuǎn)彎運動。2025年，日本東京大學(xué)和早稻田大學(xué)開發(fā)出基于3D打印和實驗室培養(yǎng)肌肉纖維的生物混合手MuMuTA。該裝置可通過電流刺激抓取、移動物體并做出復(fù)雜手勢，如剪刀手勢。

三是基于昆蟲感覺器官的嗅探能力。2021年，日本東京大學(xué)開發(fā)出搭載蠶蛾觸角的生物混合型無人機。昆蟲觸角上分布著高靈敏度的化學(xué)感受器，能夠?qū)崟r檢測環(huán)境中漂浮的氣味分子，從而為無人機提供氣味方向的識別能力。2022年，以色列特拉維夫大學(xué)制造出配備沙漠蝗蟲觸角的生物混合機器人。該機器人通過連接的電子系統(tǒng)和算法，能夠檢測并識別氣味，進而區(qū)分八種單一氣味以及兩種不同氣味的混合物。

目前組織工程和生物打印的進步為多細(xì)胞和基于組織的生物混合機器人的制造提供了新途徑。然而，如何實現(xiàn)具有高度一致特性和行為表現(xiàn)的生物混合機器人的可重復(fù)制造，仍然是該領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。

（二）半機械人生物混合機器人

半機械生物混合機器人是一種結(jié)合生物體部分或整體結(jié)構(gòu)與機械裝置的創(chuàng)新性機器人系統(tǒng)。

一是基于動物先天生物學(xué)與行為特征的機器人開發(fā)。2020年，美國斯坦福大學(xué)將鴿子的羽毛作為飛行器的翅膀，開發(fā)出“鴿子機器人”（PigeonBot）。該機器人可像鳥類一樣以極小的半徑穩(wěn)定轉(zhuǎn)彎。2024年，上海交通大學(xué)開發(fā)出帶有生物混合感知系統(tǒng)的撲翼機器人，其融合了鳥類羽毛的自然振動結(jié)構(gòu)和壓電材料的柔性特性，能夠識別撲翼頻率、風(fēng)速、俯仰角和翼形等關(guān)鍵飛行參數(shù)，識別準(zhǔn)確率接近100%。

二是基于完整動物體的機器人構(gòu)建。動物自身的驅(qū)動能力使機器人具備天然的避障能力，無需額外添加傳感器或設(shè)計復(fù)雜算法來繞過障礙物。通過必要的電刺激即可控制其運動，動態(tài)性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)執(zhí)行器。此外，電子有效載荷的功耗極低，約為0.1毫瓦，而傳統(tǒng)人造機器人的執(zhí)行器功耗通常需要數(shù)百毫瓦。因此，這類機器人具有極高的能效。2022年，新加坡南洋理工大學(xué)和德國弗萊堡大學(xué)證明了甲殼蟲翼下肌肉在飛行時的俯仰和偏航、翅膀的阻力與升力等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，并在甲殼蟲翼下肌肉中植入電極，利用電刺激實現(xiàn)機器甲殼蟲更復(fù)雜的飛行機動性，如懸停、棲息和掃視。同年，美國萊斯大學(xué)利用狼蛛尸體用作機械抓手，通過向蜘蛛的液壓腔注入空氣來操縱其肢體開合，以拾取比其自身更重的物體，并且能完美融入自然環(huán)境。

三是基于活體神經(jīng)元植入的機器人，感知能力和可控性增強。2023年，美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校利用實驗室培養(yǎng)的約8萬個經(jīng)過基因編輯的小鼠干細(xì)胞神經(jīng)元，構(gòu)建出一臺可簡單識別光和電模式的活體計算機，為開發(fā)具有自主感知和控制能力的生物-機械混合系統(tǒng)提供了新的思路。2024年，美國佛羅里達大西洋大學(xué)與猶他大學(xué)合作，開發(fā)出內(nèi)置生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人造機械手。同年，哈佛醫(yī)學(xué)院將人類衍生的神經(jīng)元和肌肉細(xì)胞嵌入機器人，可通過經(jīng)顱磁刺激無線控制。其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)能夠更快速、持久地雙向傳輸數(shù)據(jù)，控制肌肉的時間長達150秒，約為標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)突觸的7.5倍，同時顯著降低了能源需求。2025年，新加坡南洋理工大學(xué)和日本大阪大學(xué)、日本廣島大學(xué)開發(fā)出蟲群導(dǎo)航算法，實現(xiàn)對半機械昆蟲群的控制，使其能夠執(zhí)行基礎(chǔ)設(shè)施檢查、廢墟搜救等任務(wù)，彌補了傳統(tǒng)機器人無法在復(fù)雜或狹窄空間作業(yè)的缺陷。

三、生物混合機器人有望成為未來戰(zhàn)場中的顛覆性技術(shù)

（一）生物混合機器人的作戰(zhàn)優(yōu)勢

生物混合機器人通過融合生物有機體與機械機器人的優(yōu)勢，有效彌補了二者的局限性，其軍事化應(yīng)用在偵察與監(jiān)視、戰(zhàn)場情報收集、多功能輔助、精準(zhǔn)打擊方面展現(xiàn)出顯著威懾力。當(dāng)前，技術(shù)融合與多學(xué)科協(xié)同發(fā)展正持續(xù)有力地推進生物混合機器人的進步。例如，借助基因編輯技術(shù)對生物體進行改造，以此增強其環(huán)境適應(yīng)性或提升其與機械系統(tǒng)的兼容性；將人工智能融入生物系統(tǒng)，利用機器學(xué)習(xí)算法優(yōu)化生物混合機器人的自主決策能力等。生物與機械結(jié)合所帶來的獨特戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢，使生物混合機器人成為未來作戰(zhàn)中不可避免的趨勢，甚至可能引發(fā)戰(zhàn)場規(guī)則的變革。

偵察與監(jiān)視。生物混合機器人能夠利用獨特的生物特性，如生物偽裝或低能耗活動等，形成新型的偵察與監(jiān)視能力。這些特性使其難以被傳統(tǒng)雷達或紅外探測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，從而具備極強的隱蔽性。

戰(zhàn)場情報收集。一方面，生物混合機器人具備卓越的環(huán)境適應(yīng)性和靈活性。能夠在復(fù)雜地形或極端條件下執(zhí)行超出人類或傳統(tǒng)機器人能力范圍的任務(wù)，從而提升戰(zhàn)場情報收集能力。這種高度的環(huán)境適應(yīng)性和隱蔽性使生物混合機器人能夠在多樣化的戰(zhàn)場環(huán)境中有效運作，為軍事行動提供關(guān)鍵的情報支持。另一方面，生物混合機器人通過整合生物神經(jīng)系統(tǒng)或人工智能技術(shù)，實現(xiàn)了高度的自主決策能力。其智能化程度較高，能夠在無人干預(yù)的情況下完成復(fù)雜任務(wù)。這種自主決策能力使得生物混合機器人能夠在戰(zhàn)場上快速響應(yīng)變化，及時收集和傳輸情報，為軍事指揮官提供實時的戰(zhàn)場信息，從而提高情報收集的效率和效果，輔助更準(zhǔn)確的決策部署。

多功能輔助。生物混合機器人具備傳統(tǒng)機器人或普通士兵難以企及的多功能性。其可同時執(zhí)行偵察、攻擊、修復(fù)或醫(yī)療救助等多種任務(wù)，并能根據(jù)不同的戰(zhàn)場需求靈活調(diào)整任務(wù)，減少了對多類專用設(shè)備的依賴。一方面，偵察與攻擊兼?zhèn)洹Ｍ慌_生物混合機器人可以在偵察任務(wù)中收集情報，隨后在攻擊任務(wù)中提供火力支持，極大提升了軍事行動的靈活性和效率。另一方面，后勤和救援兼?zhèn)洹Ｉ锘旌蠙C器人能夠在復(fù)雜地形中高效運輸戰(zhàn)備物資或執(zhí)行傷員搜救任務(wù)，還可進入核污染區(qū)、化學(xué)污染區(qū)等危險環(huán)境執(zhí)行探測任務(wù)。

精確打擊。針對關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施或人員等特定目標(biāo)實施精準(zhǔn)攻擊，亦可通過集群控制技術(shù)，實現(xiàn)生物混合機器人的協(xié)同攻擊或干擾，而傳統(tǒng)防御系統(tǒng)在面對此類新型攻擊方式時，可能因缺乏針對性而難以有效應(yīng)對。

（二）美軍或?qū)で髮⑸锘旌蠙C器人武器化

美軍對生物混合機器人武器化的探索是國防技術(shù)領(lǐng)域的重大進展。美國早已將生物科技視為“改變游戲規(guī)則”的技術(shù)，并深度介入合成生物學(xué)、生物混合機器人的研發(fā)，多年來在這些領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位。

美國國防高級研究計劃局（DARPA）在生物混合機器人領(lǐng)域開展多個研發(fā)項目，旨在將生物系統(tǒng)與機械技術(shù)相結(jié)合，打造具有獨特能力的機器人。21世紀(jì)初，DARPA啟動了混合昆蟲微機電系統(tǒng)（HI-MEMS）項目，旨在通過在昆蟲體內(nèi)植入微型電子設(shè)備，利用昆蟲自然的運動能力，開發(fā)昆蟲-機器人混合系統(tǒng)，完成人類無法完成的遠程偵察或探測任務(wù)。密歇根大學(xué)在該項目的資助下成功研發(fā)出機器人獨角甲蟲微系統(tǒng)，可通過遠程操作實現(xiàn)機器甲蟲的起飛、降落和定向移動。該項目的研究進展尚未完全披露，但據(jù)推測可能仍面臨能源供應(yīng)和神經(jīng)接口方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。2025年1月，DARPA啟動了“通過集成生物學(xué)和機器人學(xué)技術(shù)混合用于可部署系統(tǒng)”（HyBRIDS）項目，旨在將細(xì)胞、組織或生物體等生物組件與機械系統(tǒng)相結(jié)合，以擴展機器人系統(tǒng)的功能，實現(xiàn)生物混合平臺相對于傳統(tǒng)機器人系統(tǒng)的范式轉(zhuǎn)變。該項目的研究成果可能導(dǎo)致生物混合機器人技術(shù)和戰(zhàn)爭方式的范式轉(zhuǎn)變。

美國陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部陸軍研究實驗室于2020年開展了一項生物混合機器人研究項目，目標(biāo)是在機器人的關(guān)節(jié)中添加實驗室培養(yǎng)的肌肉組織，以增強機器人系統(tǒng)的靈活性和多功能性。該項目的首批重點是陸軍的腿式機器人平臺和撲翼無人機，以及美國海軍陸戰(zhàn)隊的腿式小隊支援系統(tǒng)（LS3）的腿式平臺。腿式機器人目前比輪式機器人消耗更多的能量，因此提高其耐力是其軍事用途的關(guān)鍵。這些機器人在不穩(wěn)定地形上移動或在擁擠空域飛行時面臨普遍障礙。肌肉驅(qū)動的行走和飛行能力能夠使其在崎嶇地形上更自如的導(dǎo)航和移動，從而減少對傳統(tǒng)燃料供應(yīng)的依賴。這意味著它們能夠進入以前在多領(lǐng)域作戰(zhàn)中無法進入的區(qū)域，對于美軍獲得行動成功至關(guān)重要。研究人員還希望在腿式機器人中實現(xiàn)袋鼠等善跳躍動物的肌肉、肌腱和韌帶的性能特征。

此外，美國國家科學(xué)基金會（NSF）和國家航空航天局（NASA）也在開展生物混合機器人相關(guān)研究。這些研究主要集中在生物與機械系統(tǒng)的結(jié)合、仿生機器人及生物能源驅(qū)動系統(tǒng)等領(lǐng)域。前者資助了利用肌肉細(xì)胞等生物材料驅(qū)動微型機器人或開發(fā)仿生傳感器，后者正在探索能夠適應(yīng)太空或深海等極端環(huán)境的仿生機器人。

四、生物混合機器人軍事化應(yīng)用的潛在風(fēng)險

加劇生物安全風(fēng)險。如果生物混合機器人被設(shè)計為攜帶針對特定宿主的病原體或毒素，將可能演變?yōu)橐环N兼具精準(zhǔn)性與隱蔽性的新型生物武器。其可通過靶向傳播的方式，突破傳統(tǒng)防御體系，對人類健康、全球衛(wèi)生安全和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。此外，鑒于生物混合機器人能夠根據(jù)不同生物組織的特性具備一定程度的自主性，如自我修復(fù)或適應(yīng)性進化，這使其存在失控或被濫用的風(fēng)險，進而可能衍生為不可預(yù)測的威脅。

引發(fā)倫理道德爭議。生物混合機器人模糊了生命與非生命的邊界。當(dāng)其融合人類或動物的神經(jīng)元、干細(xì)胞或組織時，其“生命屬性”可能引發(fā)倫理爭議。尤其是使用人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）或基因編輯技術(shù)制造生物組件，更是可能觸及“設(shè)計生命”的倫理紅線，甚至被用于非治療性人類增強目的。目前該領(lǐng)域處于監(jiān)管真空地帶，《禁止生物武器公約》未涵蓋生物混合機器人/系統(tǒng)，導(dǎo)致一旦發(fā)生攻擊事件，責(zé)任難以認(rèn)定。

加劇生物資源爭奪。生物混合機器人的軍事化應(yīng)用可能進一步加劇對生物數(shù)據(jù)、生物技術(shù)、生物材料等生物資源的爭奪，從而引發(fā)新型軍備競賽。當(dāng)前，人類基因組、微生物組等生物數(shù)據(jù)已成為至關(guān)重要的戰(zhàn)略資源。發(fā)達國家或通過限制數(shù)據(jù)跨境流動，以保護本國生物數(shù)據(jù)安全；通過專利封鎖關(guān)鍵基因序列，進而形成技術(shù)壟斷；通過出口管制，限制他國獲取核心生物材料或設(shè)備。而生物資源豐富的發(fā)展中國家則可能面臨“生物剽竊”問題，這將進一步激化生物技術(shù)領(lǐng)域的國際競爭。

作者簡介

張芮晴國務(wù)院發(fā)展研究中心國際技術(shù)經(jīng)濟研究所研究三室

研究方向：生物領(lǐng)域形勢跟蹤及關(guān)鍵核心技術(shù)、前沿技術(shù)研究

編輯丨鄭實

研究所簡介

國際技術(shù)經(jīng)濟研究所（IITE）成立于1985年11月，是隸屬于國務(wù)院發(fā)展研究中心的非營利性研究機構(gòu)，主要職能是研究我國經(jīng)濟、科技社會發(fā)展中的重大政策性、戰(zhàn)略性、前瞻性問題，跟蹤和分析世界科技、經(jīng)濟發(fā)展態(tài)勢，為中央和有關(guān)部委提供決策咨詢服務(wù)。“全球技術(shù)地圖”為國際技術(shù)經(jīng)濟研究所官方微信賬號，致力于向公眾傳遞前沿技術(shù)資訊和科技創(chuàng)新洞見。

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