人類的身體能夠運(yùn)動(dòng)自如，離不開(kāi)眾多骨骼肌纖維間的協(xié)同配合，它們的收縮與拉伸同步進(jìn)行，部分肌肉呈單向排列，而有些肌肉則形成復(fù)雜的圖案，助力身體特定部位實(shí)現(xiàn)多方式運(yùn)動(dòng)。

近年來(lái)，科學(xué)家和工程師將肌肉視為“生物混合”機(jī)器人的潛在驅(qū)動(dòng)裝置。這類由人工培育的柔軟肌肉纖維供能的生物機(jī)器人，能在傳統(tǒng)機(jī)器難以涉足的空間里靈活蠕動(dòng)、擺動(dòng)。然而，多數(shù)情況下，研究人員制造出的人造肌肉僅能單向拉動(dòng)，極大限制了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍。

（來(lái)源：MIT News）

如今，麻省理工學(xué)院的工程師們研發(fā)出一種培育人工肌肉組織的新方法，所培育的肌肉組織可在多個(gè)協(xié)調(diào)方向上收縮、彎曲。

為了展示這項(xiàng)成果，他們培育出一種由肌肉驅(qū)動(dòng)的人造結(jié)構(gòu)，其收縮方式類似人眼虹膜縮放瞳孔，既能同心收縮，也能徑向收縮。

研究人員采用新開(kāi)發(fā)的“沖壓”技術(shù)制造人造虹膜。首先，用 3D 打印技術(shù)制作一個(gè)小型手持式印章，印章上刻有微小凹槽，每個(gè)凹槽僅有細(xì)胞般大小；緊接著，將印章按壓進(jìn)柔軟的水凝膠中，在形成的凹槽內(nèi)植入真正的肌肉細(xì)胞。這些細(xì)胞會(huì)沿著水凝膠內(nèi)的凹槽生長(zhǎng)，逐漸形成纖維。

當(dāng)研究人員刺激這些纖維時(shí)，肌肉便會(huì)沿著纖維方向向多個(gè)方向收縮。

“憑借這種仿虹膜設(shè)計(jì)，我們展示了首個(gè)能在多個(gè)方向產(chǎn)生力的骨骼肌驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，而這離不開(kāi)我們新開(kāi)發(fā)的 這種“沖壓”技術(shù)。”麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系教授 Ritu Raman 表示。

（來(lái)源：MIT News）

按照研究團(tuán)隊(duì)的說(shuō)法，這種印章借助桌面 3D 打印機(jī)就能打印，且凹槽圖案可按需設(shè)計(jì)。它不僅能用于培育復(fù)雜的肌肉圖案，還有望培育其他類型的生物組織，比如神經(jīng)元和心臟細(xì)胞，這些培育出的組織在外觀和行為上都與天然組織極為相似。

“我們期望制造出能復(fù)制真實(shí)組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的組織。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，制造精度至關(guān)重要。”Raman 說(shuō)道。

目前，這項(xiàng)研究成果已經(jīng)發(fā)表在Biomaterials Science上。論文的麻省理工學(xué)院合著者包括第一作者 Tamara Rossy、Laura Schwendeman、Sonika Kohli、Maheera Bawa 和 Pavankumar Umashankar，此外還有以色列特拉維夫大學(xué)的 Roi Habba、Oren Tchaicheeyan 和 Ayelet Lesman。另外，這項(xiàng)研究還得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院等的支持。

聚焦生物材料設(shè)計(jì)

Raman 在麻省理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室專注于設(shè)計(jì)生物材料，旨在模擬體內(nèi)真實(shí)組織的感知、活動(dòng)及反應(yīng)能力。總體而言，她的團(tuán)隊(duì)致力于將這些生物工程材料應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、機(jī)械等多個(gè)領(lǐng)域。

比如，她正在研發(fā)能恢復(fù)神經(jīng)肌肉損傷患者功能的人造組織，同時(shí)也在探索用于軟機(jī)器人技術(shù)的人造肌肉，像能像魚(yú)一樣靈活在水中游動(dòng)的肌肉驅(qū)動(dòng)游泳器。

此前，Raman 為實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的肌肉細(xì)胞開(kāi)發(fā)了類似健身房平臺(tái)和鍛煉程序的東西。她和同事設(shè)計(jì)出一種水凝膠 “墊子”，能促進(jìn)肌肉細(xì)胞生長(zhǎng)并融合成纖維，且細(xì)胞不會(huì)脫落。

她還發(fā)明了一種通過(guò)基因工程改造細(xì)胞的方法，使細(xì)胞能在光脈沖刺激下“鍛煉”收縮。此外，她的團(tuán)隊(duì)掌握了引導(dǎo)肌肉細(xì)胞像天然橫紋肌一樣，呈長(zhǎng)而平行的線條生長(zhǎng)的技術(shù)。不過(guò)，設(shè)計(jì)出能向多個(gè)可預(yù)測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的人造肌肉組織，這對(duì)她的團(tuán)隊(duì)及其他研究人員來(lái)說(shuō)一直是個(gè)難題。

Raman 指出：“天然肌肉組織很特別，它們并非只朝一個(gè)方向。像我們虹膜和氣管周?chē)膱A形肌肉組織，哪怕是手臂和腿部的肌肉細(xì)胞，也不是筆直排列，而是有一定角度。天然肌肉在組織中有多個(gè)方向，可我們目前還無(wú)法在工程肌肉中實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。”

繪制肌肉藍(lán)圖

在思考培育多向肌肉組織的方法時(shí)，團(tuán)隊(duì)想到了一個(gè)簡(jiǎn)單的點(diǎn)子 —— 印章。受經(jīng)典果凍模具啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)希望設(shè)計(jì)出一種印章，其微觀圖案能壓印到水凝膠中，就像團(tuán)隊(duì)之前開(kāi)發(fā)的肌肉訓(xùn)練墊一樣。壓印后的墊子圖案可作為肌肉細(xì)胞生長(zhǎng)的路線圖。

Raman 說(shuō)：“雖然想法很簡(jiǎn)單，但問(wèn)題一個(gè)個(gè)接踵而至。比如，怎么制作出特征僅有單個(gè)細(xì)胞大小的印章？又該怎么在超軟的材料上蓋章呢？這種水凝膠比果凍還軟，鑄造難度極大，因?yàn)樗鼧O易撕裂。”

團(tuán)隊(duì)不斷嘗試改進(jìn)印章設(shè)計(jì)，最終找到了一種效果極佳的方法。研究人員利用 MIT.nano 的高精度打印設(shè)備制作出小型手持式印章，得以在印章底部打印出復(fù)雜的凹槽圖案，每個(gè)凹槽寬度與單個(gè)肌肉細(xì)胞相近。在將印章壓入水凝膠墊前，他們先在底部涂上一種蛋白質(zhì)，這能使印章均勻地壓印到凝膠中，且剝離時(shí)不會(huì)粘連或撕裂。

為進(jìn)行演示，研究人員制作了一種圖案類似人類虹膜微觀的肌肉組織。虹膜由圍繞瞳孔的一圈肌肉構(gòu)成，這個(gè)肌肉環(huán)內(nèi)部是一圈同心排列的圓形肌肉纖維，外部是呈放射狀伸展的纖維，如同太陽(yáng)光線。這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)共同協(xié)作，實(shí)現(xiàn)瞳孔的收縮或大。

Raman 及其同事將虹膜圖案壓入水凝膠墊后，在墊子上涂抹經(jīng)過(guò)基因工程改造、能對(duì)光產(chǎn)生反應(yīng)的細(xì)胞。短短一天內(nèi)，細(xì)胞就會(huì)落入微小凹槽中，開(kāi)始融合成纖維，沿著虹膜狀圖案生長(zhǎng)，最終形成與真實(shí)虹膜結(jié)構(gòu)和大小相似的整塊肌肉。

當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)用光脈沖刺激人造虹膜時(shí)，肌肉會(huì)向多個(gè)方向收縮，與人眼虹膜的運(yùn)動(dòng)相似。

Raman 指出，團(tuán)隊(duì)的人造虹膜由骨骼肌細(xì)胞制成，骨骼肌細(xì)胞參與自主運(yùn)動(dòng)；而真實(shí)人眼虹膜中的肌肉組織由平滑肌細(xì)胞構(gòu)成，屬于不自主肌肉組織。而他們選擇以虹膜狀模式對(duì)骨骼肌細(xì)胞進(jìn)行圖案化處理，旨在展示制造復(fù)雜多向肌肉組織的能力。

Raman 表示：“在這項(xiàng)研究中，我們想證明利用這種印章方法，能制造出以往肌肉驅(qū)動(dòng)機(jī)器人無(wú)法做到某些動(dòng)作的‘機(jī)器人’。我們選用了骨骼肌細(xì)胞，但其實(shí)這種方法適用于任何其他細(xì)胞類型。”

她還提到，盡管團(tuán)隊(duì)使用了精密打印技術(shù)，但印章設(shè)計(jì)用傳統(tǒng)桌面 3D 打印機(jī)也能完成。展望未來(lái)，她和同事計(jì)劃將沖壓方法應(yīng)用于其他細(xì)胞類型，探索不同的肌肉結(jié)構(gòu)，研究激活人工多向肌肉以完成實(shí)際工作的方法。

Raman 表示，“若能在水下機(jī)器人中使用軟生物機(jī)器人，取代常見(jiàn)的剛性驅(qū)動(dòng)裝置，不僅能提升導(dǎo)航能力、提高能源效率，而且軟生物機(jī)器人還能完全生物降解，更具可持續(xù)性。這就是我們努力的方向。”

https://news.mit.edu/2025/artificial-muscle-flexes-multiple-directions-offering-path-soft-wiggly-robots-0317