麻省理工学院科学家打造出一款利用活体肌肉细胞游动的微型机器人

游动机器人要在水中前进，并不一定需要笨重的马达或强大的机械部件。麻省理工学院的研究人员证明，经过精心设计的单层活体肌肉细胞便能产生足够的力量，推动一个微型机器人前进。

工程师们开发出一种极薄的游动机器人，利用活体肌肉组织来驱动其鳍片。相关研究已发表于《先进功能材料》期刊，该装置拥有一个柔性凝胶框架，大小与一片口香糖相当。凝胶构成两个鳍片，每个鳍片表面覆盖着一层比人类头发还薄得多的肌肉细胞。这些细胞经过基因改造，暴露在光照下会发生收缩。

通过将光线照射到任一鳍片上，研究人员可以引发肌肉收缩，使鳍片摆动并推动机器人在水中前进。调整哪一侧鳍片受到光照以及照射频率，团队便能控制机器人的速度和方向。

实验中，这款极薄的机器人成功地在一个简单的水下迷宫中游动并转向。以最高速度计算，它每分钟能移动约相当于自身体长四倍的距离。虽然这远比奥运游泳选手慢（后者每分钟可移动相当于自身体长65倍的距离），但大致与牛鲨在海中悠然游动的速度相当。

“在水中移动比在空气中移动需要更大的力量，”该研究作者、麻省理工学院机械工程副教授丽图·拉曼说，“考虑到它的体积大小，这个机器人的力量相当强。”

由活体肌肉驱动的新一代机器人

该装置是首次演示一种极薄的二维机器人，能够依靠活体肌肉组织实现移动。

目前大多数生物混合机器人依赖于由实验室培养的骨骼肌制成的相对庞大的三维结构。制造这类结构通常需要数百万个细胞。拉曼解释说，更薄的设计有望降低制造成本，同时可能提高运动效率。

“目前，我们团队及其他团队制造的生物混合机器人都是由笨重的三维实验室培养骨骼肌块构成的，需要数百万个细胞才能制成，”拉曼说道。她指出，像团队这次推出的新机器人这样更薄、更轻巧的设计可能制造成本更低，运动效率也可能更高。“我们相信，由活体肌肉驱动的生物混合机器人未来有望执行一些精细任务，例如探索那些对传统硬件来说过于脆弱或难以预测的环境，因为活体组织柔软、能对周围环境作出响应，并且具有自我修复能力。”

麻省理工学院研究团队成员还包括第一作者玛希拉·巴瓦，以及阿里尔·伯曼、劳拉·施文德曼、费尔多斯·阿夫汗和西恩比隆·约翰逊。

从人造肌肉到游动机器人

这款新型游动机器人建立在拉曼实验室此前一项成果的基础之上。去年，研究人员创造出一种受人类虹膜启发的人造肌肉盘，展示了一层薄薄的活体细胞如何能产生精确可控的运动。

在那个项目中，工程师们在一块凝胶盘上制作出从中心向外延伸、形成同心圆的凹槽图案。随后他们在表面放置活体肌肉细胞，这些细胞沿着图案化的通道生长，形成一层薄膜。

当受到光照时，肌肉组织会向不同方向收缩，使圆盘产生拉伸和压缩。其运动方式类似于人眼虹膜随瞳孔扩大或缩小而改变形态的过程。

这项实验证明，研究人员能够以复杂排列方式培育出极薄的肌肉层，并利用光线控制其沿多个方向运动。

“此前从未有人见过从零开始构建出这种肌肉结构，”拉曼说，“而且这些细胞能朝多个方向运动。但它们的移动距离只有约100微米。从机器人学的角度看，这样的运动幅度微乎其微。”

在最新项目中，研究人员希望大幅提升肌肉细胞产生的运动幅度和力量，目标是产生足以推动机器人在水中前进的强力收缩。

他们判断，要实现这一目标，需要为活体肌肉组织提供更好的支撑基础。

此前的人造虹膜使用的是纤维蛋白——一种极其柔软的凝胶——作为底层结构。然而团队发现，纤维蛋白在肌肉细胞收缩产生的力的作用下会快速收缩变形，限制了最终运动效果。

为解决这一问题，工程师们研究了凝胶基础的三项特性：化学成分、硬度，以及用于组织肌肉生长的凹槽的尺寸与形状。

“对于任何类型的组织工程而言，这些都是众所周知的可调节参数，”拉曼说，“我们希望优化所有这些参数，以支持活体肌肉细胞的生长。”

打造更强力的肌肉驱动机器人

寻找合适的支撑材料需要测试多种不同配方、不同硬度及不同表面图案的凝胶。

研究人员比较了几种凹槽形状，包括方形截面的窄通道和底部呈弧形的较长通道。他们发现，肌肉细胞在方形凹槽中的排列效果更好。

这种排列方式十分重要，因为朝同一方向生长的肌肉细胞更容易融合成纤维。这些纤维随后能够形成更强壮的肌肉组织，实现协调一致的收缩。因此，方形凹槽为产生力量提供了更有效的结构。

团队还将纤维蛋白替换为甲基丙烯酰化明胶（GelMA），这是一种常用于培育和构建生物组织的材料。

通过调整GelMA的配方，研究人员制备出硬度不同的支撑凝胶。随后他们观察肌肉细胞在每种表面上的发育情况，并测量其产生力量的能力。

结果显示，较硬的凝胶效果最佳。在这些更硬的表面上，肌肉细胞的排列更为整齐，产生的收缩力也更强。

工程师们接下来研究了凝胶的理想厚度。他们确定，约半毫米厚的薄膜能达到有效的平衡：既足够坚固以支撑单层肌肉细胞，又足够轻薄，以防止收缩的细胞从表面脱落。

团队还通过一种类似锻炼的方式进一步提升了肌肉的性能。在将肌肉组织整合进游动机器人之前，反复的光脉冲刺激细胞收缩，从而增强了肌肉组织的力量。

光如何让这个活体机器人游动

在优化完凝胶结构并增强肌肉细胞之后，研究人员组装了这款游动装置。

最终制成的机器人由一个薄薄的凝胶框架构成，分为两个鳍片。凝胶两侧都制作有方形底部的凹槽图案，并覆盖有活体肌肉细胞。随着细胞发育，它们融合成有组织的肌肉纤维，能够协同收缩。

每个鳍片都可以通过光照独立激活，这为研究人员提供了一种控制机器人运动的简便方式。

“可以把这个机器人想象成拥有两块独立的肌肉，”拉曼说，“如果我们只照射其中一个，那么只有那块肌肉会动。如果同时照射两个，它们就会一起摆动。”

为测试该装置，研究人员将其放入一个装满水的大培养皿中，随后手持光源移动，照射鳍片以引导机器人穿过放置在培养皿内的迷宫。

随着肌肉收缩，鳍片摆动，推动机器人在水中前进。通过改变光照刺激，工程师们成功控制了机器人的运动，并帮助它绕过障碍物。

尽管该机器人已展示出游动和转向的能力，但其目前的形态仍相对简单。此次实验的主要目的在于证明，一层极薄的工程化肌肉组织能够产生足以实现游动的力量。

研究人员现在计划改进机器人的身体结构，以提升其速度。除了展示一种全新的生物混合机器人技术路径外，这项技术未来也可能用于监测水生环境，或应用于传统刚性机器可能造成破坏的场所。

“我们的下一个目标是优化身体设计，以实现更快的游动速度，”拉曼说，“但即便是在较慢的游动速度下，人们也可以想象，一个由肌肉驱动的游泳装置可用于诸如水生环境监测等用途。”

美国海军研究办公室为这项研究提供了部分资金支持。