在生物工程與機(jī)器人技術(shù)的交匯點(diǎn)上，人類對生命本質(zhì)的模仿正在改寫未來科技的邊界。自生物混合機(jī)器人概念提出以來，曾長期困于“尺寸與力量"的悖論：人工培養(yǎng)的肌肉組織一旦超過一定長度，內(nèi)部細(xì)胞便因營養(yǎng)滲透不足而壞死；而微型化的肌肉束雖能存活，卻因收縮力不足難以驅(qū)動復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
近日，東京大學(xué)研究團(tuán)隊成功研發(fā)出由培養(yǎng)肌肉組織全驅(qū)動、具備多關(guān)節(jié)靈活運(yùn)動的仿生機(jī)械手，并被日本ANN NEWS報道。這項突破性成果不僅攻克了傳統(tǒng)生物混合機(jī)器人尺寸與力量受限的難題，更通過創(chuàng)新性整合摩方精密微納3D打印技術(shù)，為人工肌肉驅(qū)動系統(tǒng)開辟了全新路徑，標(biāo)志著人類在生物機(jī)電一體化領(lǐng)域邁出關(guān)鍵一步。
該研究提出了一種基于多肌肉組織驅(qū)動器（MuMuTA）的生物混合機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模、多自由度的仿生運(yùn)動。通過優(yōu)化肌肉組織排列和電刺激參數(shù)，該系統(tǒng)在收縮力、運(yùn)動控制精度和耐久性方面均優(yōu)于現(xiàn)有方法。實(shí)驗結(jié)果表明，該仿生手能夠執(zhí)行復(fù)雜手勢和物體操作，為未來生物混合機(jī)器人的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。未來研究可進(jìn)一步提高肌肉組織的收縮效率，并探索其在可穿戴設(shè)備、康復(fù)醫(yī)療和機(jī)器人操控等領(lǐng)域的應(yīng)用。這項突破性成果以“Biohybrid hand actuated by multiple human muscle tissues"為題登上了國際期刊《Science Robotics》的最新雜志封面。
研究團(tuán)隊受"壽司卷"結(jié)構(gòu)啟發(fā)，成功開發(fā)出18 cm長的生物混合機(jī)械手裝置。該裝置采用創(chuàng)新性仿生設(shè)計：首先將8條直徑為50 μm、長度為10 cm的薄層肌肉組織平行排列，通過卷曲工藝形成圓柱形基體結(jié)構(gòu)；在此基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上整合五根具備多關(guān)節(jié)活動能力的仿生手指，每根手指均配置一個獨(dú)立控制的MuMuTA，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的抓取動作。這種設(shè)計既保障了每根肌肉的氧氣與營養(yǎng)供給，又通過高取向性肌纖維（排列精度超95%）將單個驅(qū)動器收縮力提升至8 mN，收縮位移達(dá)4 mm，較傳統(tǒng)方案提升400%。
圖1. 由MuMuTA驅(qū)動的生物混合機(jī)械手構(gòu)建方法。
圖2. 構(gòu)建和培養(yǎng)肌肉組織的評估。
更精妙的是，團(tuán)隊采用仿生線纜驅(qū)動系統(tǒng)，將MuMuTA的線性收縮轉(zhuǎn)化為多關(guān)節(jié)運(yùn)動：每根仿生手指內(nèi)部設(shè)有中空導(dǎo)軌與“人造肌腱"，通過精準(zhǔn)調(diào)控電刺激參數(shù)（1.5V/mm電場強(qiáng)度，600ms脈沖時長），實(shí)現(xiàn)單指130 °彎曲、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速500 °/s的類人運(yùn)動。其中，團(tuán)隊利用摩方精密nanoArch® S140（精度：10 μm）3D打印系統(tǒng)制備了多關(guān)節(jié)中空手指骨架和細(xì)胞培養(yǎng)錨定結(jié)構(gòu)。骨架內(nèi)壁的類肌腱導(dǎo)軌設(shè)計精度達(dá)10 μm，為細(xì)胞生長提供了精準(zhǔn)的物理引導(dǎo)路徑。
實(shí)驗顯示，這只18 cm的機(jī)械臂可獨(dú)立控制五指，完成剪刀手勢、鋼琴鍵按壓等復(fù)雜動作，連續(xù)工作30分鐘后仍保持90%的初始力量。這項技術(shù)的突破性不僅在于運(yùn)動性能，更在于其全生命周期的工程化創(chuàng)新：
快速培養(yǎng)：通過免疫熒光染色觀察，肌肉組織僅需8天即可成熟，α-actinin與actin形成清晰條紋結(jié)構(gòu)，達(dá)到最佳收縮力；
超長壽命：在26 ℃環(huán)境下可持續(xù)工作178天，收縮力僅隨時間線性衰減，無需頻繁更換；
環(huán)境耐受：室溫下性能與37 ℃培養(yǎng)環(huán)境相當(dāng)，4 ℃時仍保留50%收縮力，為戶外應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
隨后，研究團(tuán)隊通過系統(tǒng)性實(shí)驗揭示了肌肉組織培養(yǎng)方案與驅(qū)動效能的科學(xué)關(guān)聯(lián)。針對"in-sheet"與"in-bundle"兩種模式進(jìn)行對比研究，"in-sheet"方案展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。其核心在于片狀培養(yǎng)階段可確保每根肌肉組織在平面延展?fàn)顟B(tài)下獲得均衡的營養(yǎng)滲透與氧氣交換，規(guī)避三維卷曲結(jié)構(gòu)中因物質(zhì)濃度梯度引發(fā)的內(nèi)部組織缺氧問題。實(shí)驗數(shù)據(jù)表明，"in-bundle"組內(nèi)層肌肉收縮效率較外層下降達(dá)37%，驗證了空間約束對細(xì)胞活性的抑制作用。
圖3. MuMuTA的屬性評估。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，MuMuTA驅(qū)動效能與肌肉組織數(shù)量存在非線性關(guān)系：當(dāng)單驅(qū)動器內(nèi)肌束數(shù)量增至3根時，手指彎曲角度即可達(dá)到理論最大值的98%；繼續(xù)增加至8根時，彎曲角度僅提升0.6%，而驅(qū)動響應(yīng)延遲增加12%。這一閾值效應(yīng)揭示出生物混合系統(tǒng)的設(shè)計需在結(jié)構(gòu)冗余與動態(tài)性能間建立精準(zhǔn)平衡，為工程化應(yīng)用提供了關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化依據(jù)。
圖4. MuMuTA驅(qū)動生物混合機(jī)械手手指的性能評價。
圖5. MuMuTAs驅(qū)動的生物混合機(jī)械手性能評價。
總結(jié)：本研究提出了一種基于多肌肉組織驅(qū)動器（MuMuTA）的生物混合機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模、多自由度的仿生運(yùn)動。通過優(yōu)化肌肉組織排列和電刺激參數(shù)，該系統(tǒng)在收縮力、運(yùn)動控制精度和耐久性方面均優(yōu)于現(xiàn)有方法。未來研究可進(jìn)一步提高肌肉組織的收縮效率，并探索其在可穿戴設(shè)備、康復(fù)醫(yī)療和機(jī)器人操控等領(lǐng)域的應(yīng)用。
在微觀尺度實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)與生物組織的精密融合，標(biāo)志著人類在合成生物學(xué)與仿生工程領(lǐng)域取得重大突破。東京大學(xué)創(chuàng)新研究院的最新研究成果不僅革新了傳統(tǒng)機(jī)器人驅(qū)動范式，更從哲學(xué)層面揭示了技術(shù)革命的本質(zhì)方向——真正的創(chuàng)新不在于超越自然法則，而在于深度解碼并復(fù)現(xiàn)生命系統(tǒng)進(jìn)化形成的精密運(yùn)作機(jī)制。
截至目前，摩方已構(gòu)建覆蓋全球40個國家的產(chǎn)學(xué)研網(wǎng)絡(luò)，與610余家科研機(jī)構(gòu)建立合作，包括MIT、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)等國際頂尖學(xué)府。在國內(nèi)，清華大學(xué)、北京大學(xué)等超過60所大學(xué)也已采購摩方設(shè)備。這些全球頂尖科研團(tuán)隊?wèi)?yīng)用摩方微納3D打印技術(shù)，在新能源、生物醫(yī)療、微流控、半導(dǎo)體等21世紀(jì)關(guān)鍵領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，累計在Science, Nature, Advanced Materials及其子刊發(fā)表多篇高水平論文。
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