苏黎世理工学院用实验室培育肌肉打造仿生机器人

苏黎世联邦理工学院（ETH）的科学家已经成功研制出一种含有活体骨骼肌组织的机器人驱动器，这些肌肉组织由小鼠细胞培育而成，并与3D打印的水凝胶支架相结合。显而易见的下一步，便是制造出覆盖着活体组织、看起来与真人难以区分的仿真人形机器人——这正如《终结者》系列电影中出现的"生化机器人"一样。

实验室培育的骨骼肌组织确实能够收缩，但这种运动往往十分微弱，几乎难以用肉眼察觉。这为依靠活体肌肉运动的生物混合机器人带来了难题。

苏黎世联邦理工学院的研究人员现已证明，起决定作用的不仅是肌肉组织的数量，更重要的是肌肉与人工支架之间如何相互作用。

他们研发的生物驱动器将由小鼠肌肉细胞培育而成的活体骨骼肌组织，与柔软的水凝胶支架结合在一起。这种柔软且富含水分的材料能够像活体组织一样弯曲和伸展。

这项研究的新颖之处在于，肌肉与支架这两部分被作为一个整体系统共同设计。研究人员首先利用计算机模拟确定肌肉组织应放置于何处、放置多少，以及水凝胶支架应具备何种特性。

这项研究近期发表于《自然·通讯》（Nature Communications）期刊，论文的共同第一作者艾斯特·巴尔丘纳伊特（Aiste Balciunaite）与迈克·Y·米歇利斯（Mike Y. Michelis）共同开发了这一全新方法。肌肉与支架从一开始就被同时设计。

巴尔丘纳伊特是ETH教授罗伯特·卡茨施曼（Robert Katzschmann）领导的软体机器人实验室的博士生，她解释道："我们并非为肌肉几何结构设定一个固定形态，而是希望在计算机上从零开始设计整个系统。"

肌肉运动肉眼可见

为实现这一目标，研究人员并未按先后顺序分别设计肌肉组织结构和支架，而是在计算机上同时进行设计。一种算法会搜索能让肌肉收缩产生整个部件最大程度运动的配置方案。

此后，研究人员在实验室中依照计算机设计方案制造出肌肉驱动器并进行测试。这些支架采用一种名为"异光固化成型"（xolography）的光固化3D打印技术制造，每个支架的打印时间约为一分钟。

"这当然是一个反复迭代的过程，"巴尔丘纳伊特回忆道。实验提供了关于材料特性和制造条件的信息，这些信息又被反馈至计算机模拟中。

最终成果是研究人员所称的"生物驱动器"，每个长约1.5厘米。这些驱动器由活体肌肉组织和人工水凝胶支架构成。它们能够剧烈弯曲，其运动幅度肉眼可见。

研究人员报告称，在肌肉组织数量相当的情况下，其运动幅度最高可达早期系统的11倍。"使用以往的系统时，有时得借助显微镜才能看到弯曲动作，"巴尔丘纳伊特说道。

跳跃、游泳、抓取

新研发的生物驱动器能够跳跃、游泳、在表面上移动，还能抓取物体。令巴尔丘纳伊特印象最深的是跳跃动作。

她表示，跳跃是一种不寻常的运动方式，需要形态发生格外强烈的变化。对她而言，这项实验展示出活体肌肉与柔软人工支架之间相互作用的重要性。

通过单次收缩，该驱动器能将自身抬离培养皿底部约五毫米，相当于其自身体长的三分之一。而一款行走版本的移动速度可达每秒6.2毫米，若按相对体长计算，这一速度超过了迄今为止报告的所有行走型生物混合机器人。

这些小型机器人之所以能展现出如此强劲的运动能力，并非仅仅依靠其肌肉组织。关键在于肌肉与支架之间能形成无缝且牢固的连接。

支架上的细密凹槽有助于组织牢固锚定，并引导肌肉纤维排列方向。这确保了肌肉力量在传递至支架的过程中损耗降至最低。

离开实验室仍任重道远

不过，就目前而言，生物混合机器人仍依赖于能维持其肌肉组织存活的营养液。研究人员距离开发出可长期使用的机器人，依然还有很长一段路要走。

卡茨施曼解释道，更大型的系统需要人工血液供应系统：即能够向组织输送氧气和营养物质、并排出代谢废物的血管系统。这是未来研发工作面临的最大挑战之一。

另一项挑战在于活体组织的天然差异性。与工业化生产的部件不同，培育出的肌肉驱动器并非每个都表现得完全一致。因此，研究人员希望能更好地理解和控制肌肉组织在实验室中成熟发育的过程。

为何非要使用活体肌肉？

在卡茨施曼看来，这项研究最重要的意义在于展示了活体组织与柔软人工结构相互作用所蕴含的潜力。肌肉所能做的不仅仅是产生力量。

肌肉还能改变自身形态，从而影响身体的运动和弯曲方式。肌肉形态本身也成为了工程师可以主动设计的要素，而不再是必须想办法克服的固定限制。

同时，这项研究也表明，要实现这一目标，不同研究领域之间需要何等紧密的协作。唯有通过细胞生物学、材料科学、机器人学以及计算机辅助设计的相互配合，才能将肌肉组织与人工支架开发为一个统一的集成系统。

对卡茨施曼而言，这也带来了更长远的发展潜力：未来的机器人系统或许能更多地利用活体生物的特性，而不再仅仅依靠传统的马达和刚性部件来实现运动。

"我们才刚刚开始以一种更自然的方式打造机器人，"他说道。