MIT用人工肌腱升级生物混合机器人，活体肌肉输出力量提升30倍

我们的肌肉是大自然的执行器。正是这些筋腱相连的组织产生力量，让身体得以运动。近些年，工程师们开始将真实的肌肉组织用于驱动由活体组织与合成部件共同构成的“生物混合机器人”（biohybrid robots）。通过将实验室培养的肌肉与人工骨架配对，研究人员已经造出了一系列由肌肉驱动的爬行器、步行器、游动器以及抓取装置。

不过，大多数这类设计受限于运动幅度和输出力量。如今，MIT 工程师希望借助人工肌腱，为这些“生物混合机器人”做一次性能升级。

在近期发表于 Advanced Science 的一项研究中，研究人员开发了由坚韧且柔软的水凝胶制成的人工肌腱。他们将橡皮筋般的肌腱连接在一小段实验室培养的肌肉组织两端，构建出一个“肌肉–肌腱单元”。接着，他们把人工肌腱的末端连接到机械手的手指上。

当中间的肌肉被刺激收缩时，肌腱就会拉动机械手的指尖合拢。有了人工肌腱的连接，这个机器人捏合手指的速度是无肌腱设计的三倍，力量则提升了三十倍。

研究团队设想，这种新的肌肉–肌腱单元可以像一种“通用接口”一样，被嵌入各种生物混合机器人设计中。

“我们引入人工肌腱，作为肌肉驱动器和机器人骨架之间的通用连接件。”论文第一作者、MIT 机械工程助理教授 Ritu Raman 说，“这种模块化方式可能会让我们更容易设计出从微尺度手术工具到自适应、自动化的探索机器等各种机器人应用。”

论文作者来自 MIT，包括研究生 Nicolas Castro、Maheera Bawa、Bastien Aymon、Sonika Kohli 和 Angel Bu；本科生 Annika Marschner；博后 Ronald Heisser；校友 Sarah J. Wu（2019 级本科、2021 硕士、2024 博士）与 Laura Rosado（2022 本科、2025 硕士）；以及机械工程系教授 Martin Culpepper 和 Xuanhe Zhao。

肌肉增长

Raman 与她在 MIT 的同事们是生物混合机器人领域的前沿探索者，这是近十年来兴起的新方向。研究核心是将合成结构的机器人零件与作为天然驱动器的活体肌肉组织结合在一起。

“工程师常用的执行器很难做得足够小。”Raman 说，“一旦尺寸下降到某个临界，小型执行器的基础物理原理就不再成立。而肌肉的优点在于，每个细胞本身就是一个能够产生力量、完成运动的独立驱动器。因此，从原理上说，你能制造非常微小的机器人。”

肌肉驱动器还有其他优势，Raman 团队已有相关证明：肌肉组织在训练后可以变得更强壮，受损后也能自然愈合。因此，研究者认为，肌肉驱动的机器人未来或许可以被送往人类难以抵达或危险的环境执行任务。它们可以在需要时锻炼以增强力量，或在无法获得维修的情况下自行恢复。此外，生物混合机器人也可用作体内微尺度手术的助手机器人。

正是这些未来前景，推动 Raman 及其同行探索如何将活体肌肉与合成骨架高效结合。迄今的设计通常是培养一条肌肉带，再把两端固定在人工骨架的不同部位，类似将橡皮筋绕在两个柱子上。当肌肉收缩时，它会拉动骨架部件实现预期动作。

但 Raman 指出，这种方式浪费了大量用于连接的肌肉组织，而且连接并不牢靠。肌肉比骨架要软得多，这种力学不匹配容易导致撕裂或脱落。更关键的是，往往只有肌肉中部的那小段收缩真正产生了有效的力——既少，又弱。

“我们在想：如何减少肌肉浪费，让它更像一个模块，能接到任何结构上，同时提升效率？”她说，“人体的解决方案就是肌腱——它们的刚度介于肌肉与骨骼之间，能弥合二者的力学差异，就像绕过关节的细缆绳一样高效。”

聪明地连接

在这项研究中，团队设计了人工肌腱来连接天然肌肉组织与机械手骨架。他们选择的材料是水凝胶——一种既柔软又耐用的聚合物凝胶。Raman 从共同作者 Xuanhe Zhao 教授那里获得了水凝胶样品，Zhao 的团队在 MIT 一直致力于开发多种伸展性可调、且能粘附于多种合成和生物材料的水凝胶。

为了确定人工肌腱应具备怎样的强度与弹性以适配机械手设计，团队先用“弹簧模型”模拟整个结构：中央肌肉、一对肌腱及骨架分别对应不同刚度的弹簧。他们利用已知的肌肉与骨架刚度，计算出要实现指定运动所需的肌腱刚度。

依此模型，团队配制出具有目标刚度的水凝胶，并将其蚀刻为细缆状的人工肌腱。他们采用标准技术培养肌肉组织，并将人工肌腱连接在肌肉两端，再将每根肌腱绕到机械手指尖的小柱上，机械手设计由精密机械专家 Culpepper 教授团队完成。

当肌肉被刺激收缩时，肌腱会随之拉近机械手的指尖。实验结果显示，相比仅依靠肌肉带驱动的设计，加入肌腱后，机械手捏合动作快三倍、力量大三十倍。此外，这一肌腱设计还可持续运行 7,000 个收缩循环而不降性能。

总体而言，人工肌腱让机器人的“功重比”（power-to-weight ratio）提升了 11 倍，也就是说，用更少的肌肉完成了更多工作。

“你只需要一小块与骨架聪明连接的驱动组织。”Raman 说，“通常，软肌肉若直接接触高阻抗结构，只会先被拉裂。但如果连接到能承受拉力的肌腱，就能成功把力量传递出去，推动原本无法推动的骨架。”

生物医学工程师、苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）教授 Simone Schürle-Finke 评价这一成果：“坚韧的水凝胶肌腱构建出更符合生理结构的‘肌肉–肌腱–骨骼’体系，极大提升了力的传递、耐久性与模块化程度。这推动了生物混合系统向可重复运行、并最终走出实验室的方向迈进。

有了人工肌腱，Raman 团队正在继续研发更多组件，例如类皮肤的保护外壳，为肌肉驱动机器人走向实际应用铺路。

1.https://news.mit.edu/2025/artificial-tendons-give-muscle-powered-robots-boost-1201

2.https://doi.org/10.1002/advs.202512680