近日，東京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出全球首款由培養(yǎng)肌肉組織全驅(qū)動(dòng)、具備多關(guān)節(jié)靈活運(yùn)動(dòng)的仿生機(jī)械手，并被日本ANN NEWS報(bào)道。這項(xiàng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)。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(dòng)控制精度和耐久性方面均優(yōu)于現(xiàn)有方法。實(shí)驗(yàn)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(xiàng)突破性成果以“Biohybrid hand actuated by multiple human muscle tissues”為題登上了國際知名期刊《Science Robotics》的最新雜志封面。
研究團(tuán)隊(duì)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(jì)：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(dòng)能力的仿生手指，每根手指均配置一個(gè)獨(dú)立控制的MuMuTA，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的抓取動(dòng)作。這種設(shè)計(jì)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(gè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(duì)采用仿生線纜驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，將MuMuTA的線性收縮轉(zhuǎn)化為多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)：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(shí)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(dòng)。其中，團(tuán)隊(duì)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(jì)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(yàn)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(dòng)作，連續(xù)工作30分鐘后仍保持90%的初始力量。這項(xiàng)技術(shù)的突破性不僅在于運(yùn)動(dòng)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(shí)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(shí)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(duì)通過系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)揭示了肌肉組織培養(yǎng)方案與驅(qū)動(dòng)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，最大程度規(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(yàn)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(yàn)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(dòng)效能與肌肉組織數(shù)量存在非線性關(guān)系：當(dāng)單驅(qū)動(dòng)器內(nèi)肌束數(shù)量增至3根時(shí)，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(shí)，彎曲角度僅提升0.6%，而驅(qū)動(dòng)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(jì)需在結(jié)構(gòu)冗余與動(dòng)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)。
總結(jié)：本研究提出了一種基于多肌肉組織驅(qū)動(dòng)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(dòng)。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(dòng)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。
原文鏈接：https://doi.org/10.1126/scirobotics.adr5512
