摘要：随着生物研究和生物工程的发展，生物混合机器人（Biohybrid Robotics）领域进展迅速，为传统机器人提供了创新的技术框架，开启了半机械化生物时代。越来越多生物混合机器人被成功开发，预计将对工业、医学、农业、环境修复和军事行动等各个领域带来革命性影响。

一、传统与生物融合机器人系统的范式演进

传统机器人系统，无论基于刚性或柔性机械架构，其核心构成普遍依赖工程化构件与人工合成材料。当前，前沿研究正致力于将活体细胞、生物组织及微生物有机体等生命单元整合至机器人系统架构中，组成新型混合机器，由此构建了机器人技术与生命科学深度交叉的创新性技术框架，形成了新的跨学科领域。

此类生物混合系统（Biohybrid Systems）中采用的活体功能材料，凭借其固有的灵活性、自主性、生物可降解特性、自组织修复能力及环境自适应性等，为机器人驱动机制与控制策略的革新迭代提供了全新范式，不仅增强机器人系统的韧性，还提高了机器人的机械性能和智能控制，从而使其能够更高效地感知周围环境、实现自主移动以及精准执行任务。作为一种具有变革性的机器人技术，生物混合技术在工业制造、医学诊断与治疗、灾害救援、未知地形探索以及环境污染治理等领域展现出极高的应用价值。

二、生物混合机器人的当前进展

（一）组织工程生物混合机器人

组织工程生物混合机器人融合活体细胞、生物组织与工程材料，其核心功能主要基于细胞的代谢活动以及组织的力学特性。

一是基于细胞代谢的自我组装与修复能力。2020年，美国塔夫茨大学利用非洲爪蟾胚胎细胞创造出全球首个具备移动能力和自我修复功能的多细胞生物机器人Xenobots。2022年，哈佛大学与埃默里大学利用人类心脏细胞制造出合成鱼。该机器鱼的肌肉收缩强度、最大游泳速度和肌肉协调性随心肌细胞的成熟而显著提升，最终达到与野生斑马鱼相近的性能水平。2023年，塔夫茨大学与哈佛大学利用人类气管细胞构建出微型生物机器人Anthrrobots，其可在实验室培养皿表面移动，并具备自我组装能力，同时对其他细胞具有一定的愈合作用。2024年，美国康奈尔大学将杏鲍菇的菌丝体培育成机器人的电子控制装置。菌丝体能够感知和响应环境变化，从而引导机器人的运动行为。

二是基于肌肉组织的灵活性和自适应能力。2023年，美国伊利诺伊州大学香槟分校和西北大学开发出具有远程控制功能的微型生物机器人eBiobots，其依靠由生长在3D打印聚合物骨架上的小鼠肌肉组织进行驱动。2024年，日本东京大学将骨骼肌肉组织与人造材料结合，设计出专门用于水下操作的双足生物混合机器人，其能够以人类双足行走的方式实现前进和转弯运动。2025年，日本东京大学和早稻田大学开发出基于3D打印和实验室培养肌肉纤维的生物混合手MuMuTA。该装置可通过电流刺激抓取、移动物体并做出复杂手势，如剪刀手势。

三是基于昆虫感觉器官的嗅探能力。2021年，日本东京大学开发出搭载蚕蛾触角的生物混合型无人机。昆虫触角上分布着高灵敏度的化学感受器，能够实时检测环境中漂浮的气味分子，从而为无人机提供气味方向的识别能力。2022年，以色列特拉维夫大学制造出配备沙漠蝗虫触角的生物混合机器人。该机器人通过连接的电子系统和算法，能够检测并识别气味，进而区分八种单一气味以及两种不同气味的混合物。

目前组织工程和生物打印的进步为多细胞和基于组织的生物混合机器人的制造提供了新途径。然而，如何实现具有高度一致特性和行为表现的生物混合机器人的可重复制造，仍然是该领域面临的重大挑战。

（二）半机械人生物混合机器人

半机械生物混合机器人是一种结合生物体部分或整体结构与机械装置的创新性机器人系统。

一是基于动物先天生物学与行为特征的机器人开发。2020年，美国斯坦福大学将鸽子的羽毛作为飞行器的翅膀，开发出“鸽子机器人”（PigeonBot）。该机器人可像鸟类一样以极小的半径稳定转弯。2024年，上海交通大学开发出带有生物混合感知系统的扑翼机器人，其融合了鸟类羽毛的自然振动结构和压电材料的柔性特性，能够识别扑翼频率、风速、俯仰角和翼形等关键飞行参数，识别准确率接近100%。

二是基于完整动物体的机器人构建。动物自身的驱动能力使机器人具备天然的避障能力，无需额外添加传感器或设计复杂算法来绕过障碍物。通过必要的电刺激即可控制其运动，动态性能显著优于传统执行器。此外，电子有效载荷的功耗极低，约为0.1毫瓦，而传统人造机器人的执行器功耗通常需要数百毫瓦。因此，这类机器人具有极高的能效。2022年，新加坡南洋理工大学和德国弗莱堡大学证明了甲壳虫翼下肌肉在飞行时的俯仰和偏航、翅膀的阻力与升力等方面发挥关键作用，并在甲壳虫翼下肌肉中植入电极，利用电刺激实现机器甲壳虫更复杂的飞行机动性，如悬停、栖息和扫视。同年，美国莱斯大学利用狼蛛尸体用作机械抓手，通过向蜘蛛的液压腔注入空气来操纵其肢体开合，以拾取比其自身更重的物体，并且能完美融入自然环境。

三是基于活体神经元植入的机器人，感知能力和可控性增强。2023年，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校利用实验室培养的约8万个经过基因编辑的小鼠干细胞神经元，构建出一台可简单识别光和电模式的活体计算机，为开发具有自主感知和控制能力的生物-机械混合系统提供了新的思路。2024年，美国佛罗里达大西洋大学与犹他大学合作，开发出内置生物神经网络的人造机械手。同年，哈佛医学院将人类衍生的神经元和肌肉细胞嵌入机器人，可通过经颅磁刺激无线控制。其内部网络能够更快速、持久地双向传输数据，控制肌肉的时间长达150秒，约为标准化学突触的7.5倍，同时显著降低了能源需求。2025年，新加坡南洋理工大学和日本大阪大学、日本广岛大学开发出虫群导航算法，实现对半机械昆虫群的控制，使其能够执行基础设施检查、废墟搜救等任务，弥补了传统机器人无法在复杂或狭窄空间作业的缺陷。

三、生物混合机器人有望成为未来战场中的颠覆性技术

（一）生物混合机器人的作战优势

生物混合机器人通过融合生物有机体与机械机器人的优势，有效弥补了二者的局限性，其军事化应用在侦察与监视、战场情报收集、多功能辅助、精准打击方面展现出显著威慑力。当前，技术融合与多学科协同发展正持续有力地推进生物混合机器人的进步。例如，借助基因编辑技术对生物体进行改造，以此增强其环境适应性或提升其与机械系统的兼容性；将人工智能融入生物系统，利用机器学习算法优化生物混合机器人的自主决策能力等。生物与机械结合所带来的独特战术优势，使生物混合机器人成为未来作战中不可避免的趋势，甚至可能引发战场规则的变革。

侦察与监视。生物混合机器人能够利用独特的生物特性，如生物伪装或低能耗活动等，形成新型的侦察与监视能力。这些特性使其难以被传统雷达或红外探测系统发现，从而具备极强的隐蔽性。

战场情报收集。一方面，生物混合机器人具备卓越的环境适应性和灵活性。能够在复杂地形或极端条件下执行超出人类或传统机器人能力范围的任务，从而提升战场情报收集能力。这种高度的环境适应性和隐蔽性使生物混合机器人能够在多样化的战场环境中有效运作，为军事行动提供关键的情报支持。另一方面，生物混合机器人通过整合生物神经系统或人工智能技术，实现了高度的自主决策能力。其智能化程度较高，能够在无人干预的情况下完成复杂任务。这种自主决策能力使得生物混合机器人能够在战场上快速响应变化，及时收集和传输情报，为军事指挥官提供实时的战场信息，从而提高情报收集的效率和效果，辅助更准确的决策部署。

多功能辅助。生物混合机器人具备传统机器人或普通士兵难以企及的多功能性。其可同时执行侦察、攻击、修复或医疗救助等多种任务，并能根据不同的战场需求灵活调整任务，减少了对多类专用设备的依赖。一方面，侦察与攻击兼备。同一台生物混合机器人可以在侦察任务中收集情报，随后在攻击任务中提供火力支持，极大提升了军事行动的灵活性和效率。另一方面，后勤和救援兼备。生物混合机器人能够在复杂地形中高效运输战备物资或执行伤员搜救任务，还可进入核污染区、化学污染区等危险环境执行探测任务。

精确打击。针对关键基础设施或人员等特定目标实施精准攻击，亦可通过集群控制技术，实现生物混合机器人的协同攻击或干扰，而传统防御系统在面对此类新型攻击方式时，可能因缺乏针对性而难以有效应对。

（二）美军或寻求将生物混合机器人武器化

美军对生物混合机器人武器化的探索是国防技术领域的重大进展。美国早已将生物科技视为“改变游戏规则”的技术，并深度介入合成生物学、生物混合机器人的研发，多年来在这些领域保持领先地位。

美国国防高级研究计划局（DARPA）在生物混合机器人领域开展多个研发项目，旨在将生物系统与机械技术相结合，打造具有独特能力的机器人。21世纪初，DARPA启动了混合昆虫微机电系统（HI-MEMS）项目，旨在通过在昆虫体内植入微型电子设备，利用昆虫自然的运动能力，开发昆虫-机器人混合系统，完成人类无法完成的远程侦察或探测任务。密歇根大学在该项目的资助下成功研发出机器人独角甲虫微系统，可通过远程操作实现机器甲虫的起飞、降落和定向移动。该项目的研究进展尚未完全披露，但据推测可能仍面临能源供应和神经接口方面的技术挑战。2025年1月，DARPA启动了“通过集成生物学和机器人学技术混合用于可部署系统”（HyBRIDS）项目，旨在将细胞、组织或生物体等生物组件与机械系统相结合，以扩展机器人系统的功能，实现生物混合平台相对于传统机器人系统的范式转变。该项目的研究成果可能导致生物混合机器人技术和战争方式的范式转变。

美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室于2020年开展了一项生物混合机器人研究项目，目标是在机器人的关节中添加实验室培养的肌肉组织，以增强机器人系统的灵活性和多功能性。该项目的首批重点是陆军的腿式机器人平台和扑翼无人机，以及美国海军陆战队的腿式小队支援系统（LS3）的腿式平台。腿式机器人目前比轮式机器人消耗更多的能量，因此提高其耐力是其军事用途的关键。这些机器人在不稳定地形上移动或在拥挤空域飞行时面临普遍障碍。肌肉驱动的行走和飞行能力能够使其在崎岖地形上更自如的导航和移动，从而减少对传统燃料供应的依赖。这意味着它们能够进入以前在多领域作战中无法进入的区域，对于美军获得行动成功至关重要。研究人员还希望在腿式机器人中实现袋鼠等善跳跃动物的肌肉、肌腱和韧带的性能特征。

此外，美国国家科学基金会（NSF）和国家航空航天局（NASA）也在开展生物混合机器人相关研究。这些研究主要集中在生物与机械系统的结合、仿生机器人及生物能源驱动系统等领域。前者资助了利用肌肉细胞等生物材料驱动微型机器人或开发仿生传感器，后者正在探索能够适应太空或深海等极端环境的仿生机器人。

四、生物混合机器人军事化应用的潜在风险

加剧生物安全风险。如果生物混合机器人被设计为携带针对特定宿主的病原体或毒素，将可能演变为一种兼具精准性与隐蔽性的新型生物武器。其可通过靶向传播的方式，突破传统防御体系，对人类健康、全球卫生安全和生态系统构成严重威胁。此外，鉴于生物混合机器人能够根据不同生物组织的特性具备一定程度的自主性，如自我修复或适应性进化，这使其存在失控或被滥用的风险，进而可能衍生为不可预测的威胁。

引发伦理道德争议。生物混合机器人模糊了生命与非生命的边界。当其融合人类或动物的神经元、干细胞或组织时，其“生命属性”可能引发伦理争议。尤其是使用人类诱导多能干细胞（iPSC）或基因编辑技术制造生物组件，更是可能触及“设计生命”的伦理红线，甚至被用于非治疗性人类增强目的。目前该领域处于监管真空地带，《禁止生物武器公约》未涵盖生物混合机器人/系统，导致一旦发生攻击事件，责任难以认定。

加剧生物资源争夺。生物混合机器人的军事化应用可能进一步加剧对生物数据、生物技术、生物材料等生物资源的争夺，从而引发新型军备竞赛。当前，人类基因组、微生物组等生物数据已成为至关重要的战略资源。发达国家或通过限制数据跨境流动，以保护本国生物数据安全；通过专利封锁关键基因序列，进而形成技术垄断；通过出口管制，限制他国获取核心生物材料或设备。而生物资源丰富的发展中国家则可能面临“生物剽窃”问题，这将进一步激化生物技术领域的国际竞争。

作者简介

张芮晴国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究三室

研究方向：生物领域形势跟踪及关键核心技术、前沿技术研究

编辑丨郑实

研究所简介

国际技术经济研究所（IITE）成立于1985年11月，是隶属于国务院发展研究中心的非营利性研究机构，主要职能是研究我国经济、科技社会发展中的重大政策性、战略性、前瞻性问题，跟踪和分析世界科技、经济发展态势，为中央和有关部委提供决策咨询服务。“全球技术地图”为国际技术经济研究所官方微信账号，致力于向公众传递前沿技术资讯和科技创新洞见。

地址：北京市海淀区小南庄20号楼A座

_er

来源：全球技术地图