人類的身體能夠運動自如，離不開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現(xiàn)多方式運動。
近年來，科學家和工程師將肌肉視為“生物混合”機器人的潛在驅(qū)動裝置。這類由人工培育的柔軟肌肉纖維供能的生物機器人，能在傳統(tǒng)機器難以涉足的空間里靈活蠕動、擺動。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，極大限制了機器人的運動范圍。
如今，麻省理工學院的工程師們研發(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協(xié)調(diào)方向上收縮、彎曲。
為了展示這項成果，他們培育出一種由肌肉驅(qū)動的人造結(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)制作一個小型手持式印章，印章上刻有微小凹槽，每個凹槽僅有細胞般大小；緊接著，將印章按壓進柔軟的水凝膠中，在形成的凹槽內(nèi)植入真正的肌肉細胞。這些細胞會沿著水凝膠內(nèi)的凹槽生長，逐漸形成纖維。
當研究人員刺激這些纖維時，肌肉便會沿著纖維方向向多個方向收縮。
“憑借這種仿虹膜設(shè)計，我們展示了首個能在多個方向產(chǎn)生力的骨骼肌驅(qū)動機器人，而這離不開我們新開發(fā)的 這種“沖壓”技術(shù)?！?a class="keyword-search" >麻省理工學院機械工程系教授 Ritu Raman 表示。
按照研究團隊的說法，這種印章借助桌面 3D 打印機就能打印，且凹槽圖案可按需設(shè)計。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)制真實組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的組織。要實現(xiàn)這一點，制造精度至關(guān)重要?！盧aman 說道。
目前，這項研究成果已經(jīng)發(fā)表在Biomaterials Science上。論文的麻省理工學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的 Roi Habba、Oren Tchaicheeyan 和 Ayelet Lesman。另外，這項研究還得到了美國國家科學基金會和美國國立衛(wèi)生研究院等的支持。
聚焦生物材料設(shè)計
Raman 在麻省理工學院的實驗室專注于設(shè)計生物材料，旨在模擬體內(nèi)真實組織的感知、活動及反應(yīng)能力?？傮w而言，她的團隊致力于將這些生物工程材料應(yīng)用于醫(yī)學、機械等多個領(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，同時也在探索用于軟機器人技術(shù)的人造肌肉，像能像魚一樣靈活在水中游動的肌肉驅(qū)動游泳器。
此前，Raman 為實驗室培養(yǎng)的肌肉細胞開發(fā)了類似健身房平臺和鍛煉程序的東西。她和同事設(shè)計出一種水凝膠 “墊子”，能促進肌肉細胞生長并融合成纖維，且細胞不會脫落。
她還發(fā)明了一種通過基因工程改造細胞的方法，使細胞能在光脈沖刺激下“鍛煉”收縮。此外，她的團隊掌握了引導(dǎo)肌肉細胞像天然橫紋肌一樣，呈長而平行的線條生長的技術(shù)。不過，設(shè)計出能向多個可預(yù)測方向運動的人造肌肉組織，這對她的團隊及其他研究人員來說一直是個難題。
Raman 指出：“天然肌肉組織很特別，它們并非只朝一個方向。像我們虹膜和氣管周圍的圓形肌肉組織，哪怕是手臂和腿部的肌肉細胞，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方向，可我們目前還無法在工程肌肉中實現(xiàn)這一點?！?/p>
繪制肌肉藍圖
在思考培育多向肌肉組織的方法時，團隊想到了一個簡單的點子 —— 印章。受經(jīng)典果凍模具啟發(fā)，團隊希望設(shè)計出一種印章，其微觀圖案能壓印到水凝膠中，就像團隊之前開發(fā)的肌肉訓練墊一樣。壓印后的墊子圖案可作為肌肉細胞生長的路線圖。
Raman 說：“雖然想法很簡單，但問題一個個接踵而至。比如，怎么制作出特征僅有單個細胞大小的印章？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，因為它極易撕裂?！?/p>
團隊不斷嘗試改進印章設(shè)計，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，每個凹槽寬度與單個肌肉細胞相近。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，且剝離時不會粘連或撕裂。
為進行演示，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，如同太陽光線。這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)共同協(xié)作，實現(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)過基因工程改造、能對光產(chǎn)生反應(yīng)的細胞。短短一天內(nèi)，細胞就會落入微小凹槽中，開始融合成纖維，沿著虹膜狀圖案生長，最終形成與真實虹膜結(jié)構(gòu)和大小相似的整塊肌肉。
當研究團隊用光脈沖刺激人造虹膜時，肌肉會向多個方向收縮，與人眼虹膜的運動相似。
Raman 指出，團隊的人造虹膜由骨骼肌細胞制成，骨骼肌細胞參與自主運動；而真實人眼虹膜中的肌肉組織由平滑肌細胞構(gòu)成，屬于不自主肌肉組織。而他們選擇以虹膜狀模式對骨骼肌細胞進行圖案化處理，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)動機器人無法做到某些動作的‘機器人’。我們選用了骨骼肌細胞，但其實這種方法適用于任何其他細胞類型?！?/p>
她還提到，盡管團隊使用了精密打印技術(shù)，但印章設(shè)計用傳統(tǒng)桌面 3D 打印機也能完成。展望未來，她和同事計劃將沖壓方法應(yīng)用于其他細胞類型，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際工作的方法。
Raman 表示，“若能在水下機器人中使用軟生物機器人，取代常見的剛性驅(qū)動裝置，不僅能提升導(dǎo)航能力、提高能源效率，而且軟生物機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?！?/p>
https://news.mit.edu/2025/artificial-muscle-flexes-multiple-directions-offering-path-soft-wiggly-robots-0317
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