还记得几年前这个装着活体大鼠肌肉的萌萌机械手指吗？
现在，它不仅升级成了人类肌肉，还来了个惊人的”长大”操作 —— 直接进化到18厘米！
要知道，这种把活体组织和机械结构结合的生物混合(biohybrid)机器人，可一直都是“迷你派”。
为啥？简单说就是人工培养的肌肉一旦做大，内部细胞就会因为”断粮”而扑街。1厘米左右，就是它们的“生存极限”。
这次，东京大学团队不仅突破了尺寸天花板，还给这只仿生手装上了树脂骨骼，模拟人类手指的结构和功能来控制机械臂关节，实现了五指独立精准控制。
这项突破性成果有多硬核？直接登上了Science Robotics的最新封面，这份含金量，懂的都懂～
▍「寿司卷」神操作！8根人肌组织打造超级驱动器
研究团队的核心创新在于发明了一种叫做MuMuTA的新型驱动器。它的制作过程居然和卷寿司异曲同工。
首先，研究人员将8根细长的人类肌肉组织排成一排，形成一个叫做MuMuSheet的片状结构。然后像卷寿司一样，将其卷成圆柱形，最后用两根特制固定棒固定形状。
为什么要这么做？前面提到，较粗的肌肉组织容易因为营养和氧气供应不足而坏死。而这种“寿司卷”式设计让每根肌肉都能获得充足的营养，表现出更强的收缩力。
数据显示，一个MuMuTA驱动器能产生约8毫牛顿的收缩力和4毫米的收缩距离。通过类似人体肌腱的传动系统，就能将这种线性运动转化为手指的弯曲。
这只生物手最让人惊艳的是它的控制精度。每根手指都配备了独立的MuMuTA驱动器，通过电刺激就能让对应的手指弯曲。
研究团队发现，电刺激参数对肌肉收缩有显著影响。当电场强度达到1.5V/mm、脉冲持续时间为600ms时，收缩力达到最大。
为了防止电刺激串扰，研究人员在每个驱动器两侧都安装了“玻璃墙”。这个看似简单的设计却很巧妙，有效限制了电场的扩散。
实验结果相当惊人：单个手指关节的最大转动速度能达到500度/秒，三个关节的总转动角度可达130度。而且连续刺激30分钟后，驱动器依然能保持最大收缩力！
▍8天速成，178天寿命，活体机械臂如何打造？
最让人意外的是培养周期。研究团队发现，培养仅8天的肌肉组织就能达到相当好的收缩性能！
通过免疫荧光染色，研究人员看到了这样的画面：培养8天后的肌肉组织中，α-actinin和actin已经形成了清晰的条纹状分布，说明肌肉细胞已经形成了成熟的收缩单元。
更厉害的是它的环境适应能力。在室温(26℃)环境下，这些肌肉组织依然能保持与37℃时相近的收缩力。虽然在4℃时收缩力会降低一半，但这已经相当耐造了！
那么，这些肌肉组织是怎么”长”出来的呢？
当然不是磨刀霍霍向人体，研究团队使用了经过预筛选的人体骨骼肌细胞，配上了一份”秘制配方”：Matrigel、培养基、纤维蛋白原、凝血酶等成分组成的特制水凝胶。这种配方为细胞提供了类似体内的生长环境。
有趣的是，这些体外培养的肌肉组织表现出了和真实肌肉惊人的相似性。比如，当被拉伸到原长度的5%时会产生最大收缩力；电刺激的效果也和真实肌肉一样，在600毫秒和1.5V/mm时达到饱和。
活体肌肉性能好，但真正用到机器人上，就面临这个一个非常现实的问题：这些肌肉组织能持续工作多久？
这项新研究的答案是：“长达”178天！
虽然收缩力会随时间逐渐降低，但基本功能依然保持。这几乎相当于给机器手装上了一个超长效的”生物电池”。
研究团队还对比了两种培养方法：一种是先将肌肉组织培养成片状，使用时再卷起来（”in-sheet”培养）；另一种是直接将卷起的肌肉组织进行培养（”in-bundle”培养）。
结果显示，“in-sheet”培养方法完胜！原因也很简单：平铺状态下每根肌肉组织都能获得均匀的营养和氧气供应。相比之下，卷起状态培养时，内层的肌肉组织因为氧气浓度降低而表现欠佳。
此外，研究人员还发现了一个有趣的现象：当MuMuTA中的肌肉组织数量达到3根以上时，手指就能达到接近最大的弯曲角度。这说明不是肌肉组织越多越好，找到最佳平衡点才是关键。
▍加上人造肌腱，未来要怎样进化？
说完了”肌肉”，咱们来看看”骨骼”。研究团队在机械结构上也是下足了功夫。
他们采用了中空的指骨结构，内部设有专门的导轨用于固定”人造肌腱”。这种设计不仅让整个手指轻巧灵活，传动效率也大大提高。每个关节都能实现精准控制，这在生物混合机器人领域可是开创性的突破！
目前，研究团队也很坦诚地指出了几个待解决的问题。
最大的挑战是手指的”回弹“问题。目前手指回到初始位置主要靠浮力，这显然限制了连续动作的实现。对此，研究人员提出了两个解决方案：
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引入适当的弹性材料作为回复机制
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像真人手指一样添加”伸肌”，也就是在手指背面安装额外的MuMuTA
这项技术最令人期待的，或许是它在药物测试领域的应用前景。
因为使用了人源性成肌细胞，这个系统天然就是一个理想的药物测试平台。只要监测肌肉收缩力的变化，就能直观评估药物效果。这相比传统的体外测试方法具有优势！
研究团队表示，通过进一步改进，这项技术还能实现更复杂的动作。比如：
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改用球形关节，让手指获得侧向运动能力
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添加生长因子和物理训练，进一步提升肌肉组织的收缩性能
也许未来，这只由人类肌肉驱动的仿生手还能进化出更多”神操作”。
如果你对这项研究感兴趣，可以前往Science Robotics查看原文：
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adr5512
（文：机器人大讲堂）