浙江
中国科学院沈阳自动化研究所的研究团队近日研制出一款无线、光控的微型“机器蝠鲼”，其推进鳍由取自牛蛙腿部的真实骨骼肌驱动。该研究将生物组织直接用作执行器，属于生物混合（biosyncretic）机器人领域的前沿探索，相关成果已发表于《Advanced Functional Materials》。
研究团队从普通牛蛙腿部提取了股薄肌（gracilis muscle）作为执行器。在优化电刺激条件下（1 Hz、5 V、每脉冲 10 毫秒），该肌肉可产生约 6.5 牛的稳定收缩力，收缩幅度约 25%；在更强刺激下峰值力可达 9.4 牛。 该组织在 11 天内仍保持电响应能力，并能可靠驱动机器人连续工作约 7 天。
与以往使用实验室培养或重构肌组织的方案不同，本次研究直接采用天然分离的完整骨骼肌。研究人员指出，天然肌纤维具有高度有序的排列结构，因此收缩性能显著优于细胞培养重构的肌束，而输出力不足一直是限制现有骨骼肌驱动机器人速度与机动性的关键瓶颈。
为摆脱传统有线电刺激系统的束缚，团队在机器蝠鲼背部集成微型砷化镓（GaAs）光伏模块，并用 808 纳米近红外激光照射。 光伏单元将光信号转换为电信号，传递至肌肉表面神经，触发收缩；左右两侧光伏区可独立寻址，通过控制光照时机与位置实现两侧肌肉的差异化收缩，从而完成前进、转向、圆周及 U 形转弯等无缆操控。
在运动性能方面，该机器蝠鲼直线平均速度为每秒 0.54 个体长（约 2.7 厘米/秒），短时最高可达每秒 2 个体长，研究团队称这是目前报道中骨骼肌驱动生物混合机器人的最高相对前进速度。 其最小转弯半径仅为体长的八分之一，最大角速度达每秒 21 度，完成一整圈轨迹约需 17 秒。 除水面巡航与水下负重（最多 5 克）游动外，该机器人甚至能在刚性表面进行缓慢曲线移动。
研究人员表示，天然分离骨骼肌与无线光电神经刺激系统的耦合尚属首次，验证了天然肌组织作为高性能生物执行器的可行性。 该技术路线并不局限于蝠鲼构型：天然肌执行器有望适配其他机器人结构，而“光—电”无线控制方案则为生物执行器提供了一种无需永久外接导线的操控方式。
在应用层面，团队认为此类小型、鳍推进的机器人适用于浅水环境监测及对水生生物的低扰动观测，可避免传统水下机器人螺旋桨与刚性机构带来的干扰。 此外，为维持离体肌肉有效收缩而开发的电刺激框架，也可为神经损伤后的体外肌肉康复研究及动态组织工程培养系统提供实验参考。
目前的主要限制在于生物组织的寿命与外部能量依赖：集成肌肉可靠工作约 7 天、电响应最长 11 天；无线刺激仍需外部近红外光源持续供能与控制。 下一步，团队计划优化体外培养策略以延长肌肉寿命，开发类神经柔性薄膜电极以实现更均匀的电信号分布，并尝试将光伏系统与机载储能结合，使机器人能够储存采集的光能并在需要时调用，而非完全依赖实时光照。
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