摘要：人类的身体能够运动自如，离不开众多骨骼肌纤维间的协同配合，它们的收缩与拉伸同步进行，部分肌肉呈单向排列，而有些肌肉则形成复杂的图案，助力身体特定部位实现多方式运动。

人类的身体能够运动自如，离不开众多骨骼肌纤维间的协同配合，它们的收缩与拉伸同步进行，部分肌肉呈单向排列，而有些肌肉则形成复杂的图案，助力身体特定部位实现多方式运动。

近年来，科学家和工程师将肌肉视为“生物混合”机器人的潜在驱动装置。这类由人工培育的柔软肌肉纤维供能的生物机器人，能在传统机器难以涉足的空间里灵活蠕动、摆动。然而，多数情况下，研究人员制造出的人造肌肉仅能单向拉动，极大限制了机器人的运动范围。

图｜工程师们培育了一种人工的、以肌肉为动力的结构，可以向心和径向拉动，就像人眼的虹膜扩张和收缩瞳孔一样（来源：MIT News）

如今，麻省理工学院的工程师们研发出一种培育人工肌肉组织的新方法，所培育的肌肉组织可在多个协调方向上收缩、弯曲。

为了展示这项成果，他们培育出一种由肌肉驱动的人造结构，其收缩方式类似人眼虹膜缩放瞳孔，既能同心收缩，也能径向收缩。

研究人员采用新开发的“冲压”技术制造人造虹膜。首先，用 3D 打印技术制作一个小型手持式印章，印章上刻有微小凹槽，每个凹槽仅有细胞般大小；紧接着，将印章按压进柔软的水凝胶中，在形成的凹槽内植入真正的肌肉细胞。这些细胞会沿着水凝胶内的凹槽生长，逐渐形成纤维。

当研究人员刺激这些纤维时，肌肉便会沿着纤维方向向多个方向收缩。

“凭借这种仿虹膜设计，我们展示了首个能在多个方向产生力的骨骼肌驱动机器人，而这离不开我们新开发的 这种“冲压”技术。”麻省理工学院机械工程系教授 Ritu Raman 表示。

图｜研究人员开发了一种新的“冲压”方法制造肌肉纤维（来源：MIT News）

按照研究团队的说法，这种印章借助桌面 3D 打印机就能打印，且凹槽图案可按需设计。它不仅能用于培育复杂的肌肉图案，还有望培育其他类型的生物组织，比如神经元和心脏细胞，这些培育出的组织在外观和行为上都与天然组织极为相似。

“我们期望制造出能复制真实组织结构复杂性的组织。要实现这一点，制造精度至关重要。”Raman 说道。

目前，这项研究成果已经发表在 Biomaterials Science 上。论文的麻省理工学院合著者包括第一作者 Tamara Rossy、Laura Schwendeman、Sonika Kohli、Maheera Bawa 和 Pavankumar Umashankar，此外还有以色列特拉维夫大学的 Roi Habba、Oren Tchaicheeyan 和 Ayelet Lesman。另外，这项研究还得到了美国国家科学基金会和美国国立卫生研究院等的支持。

聚焦生物材料设计

Raman 在麻省理工学院的实验室专注于设计生物材料，旨在模拟体内真实组织的感知、活动及反应能力。总体而言，她的团队致力于将这些生物工程材料应用于医学、机械等多个领域。

比如，她正在研发能恢复神经肌肉损伤患者功能的人造组织，同时也在探索用于软机器人技术的人造肌肉，像能像鱼一样灵活在水中游动的肌肉驱动游泳器。

此前，Raman 为实验室培养的肌肉细胞开发了类似健身房平台和锻炼程序的东西。她和同事设计出一种水凝胶 “垫子”，能促进肌肉细胞生长并融合成纤维，且细胞不会脱落。

她还发明了一种通过基因工程改造细胞的方法，使细胞能在光脉冲刺激下“锻炼”收缩。此外，她的团队掌握了引导肌肉细胞像天然横纹肌一样，呈长而平行的线条生长的技术。不过，设计出能向多个可预测方向运动的人造肌肉组织，这对她的团队及其他研究人员来说一直是个难题。

Raman 指出：“天然肌肉组织很特别，它们并非只朝一个方向。像我们虹膜和气管周围的圆形肌肉组织，哪怕是手臂和腿部的肌肉细胞，也不是笔直排列，而是有一定角度。天然肌肉在组织中有多个方向，可我们目前还无法在工程肌肉中实现这一点。”

绘制肌肉蓝图

在思考培育多向肌肉组织的方法时，团队想到了一个简单的点子 —— 印章。受经典果冻模具启发，团队希望设计出一种印章，其微观图案能压印到水凝胶中，就像团队之前开发的肌肉训练垫一样。压印后的垫子图案可作为肌肉细胞生长的路线图。

Raman 说：“虽然想法很简单，但问题一个个接踵而至。比如，怎么制作出特征仅有单个细胞大小的印章？又该怎么在超软的材料上盖章呢？这种水凝胶比果冻还软，铸造难度极大，因为它极易撕裂。”

团队不断尝试改进印章设计，最终找到了一种效果极佳的方法。研究人员利用 MIT.nano 的高精度打印设备制作出小型手持式印章，得以在印章底部打印出复杂的凹槽图案，每个凹槽宽度与单个肌肉细胞相近。在将印章压入水凝胶垫前，他们先在底部涂上一种蛋白质，这能使印章均匀地压印到凝胶中，且剥离时不会粘连或撕裂。

为进行演示，研究人员制作了一种图案类似人类虹膜微观的肌肉组织。虹膜由围绕瞳孔的一圈肌肉构成，这个肌肉环内部是一圈同心排列的圆形肌肉纤维，外部是呈放射状伸展的纤维，如同太阳光线。这种复杂结构共同协作，实现瞳孔的收缩或大。

Raman 及其同事将虹膜图案压入水凝胶垫后，在垫子上涂抹经过基因工程改造、能对光产生反应的细胞。短短一天内，细胞就会落入微小凹槽中，开始融合成纤维，沿着虹膜状图案生长，最终形成与真实虹膜结构和大小相似的整块肌肉。

当研究团队用光脉冲刺激人造虹膜时，肌肉会向多个方向收缩，与人眼虹膜的运动相似。

Raman 指出，团队的人造虹膜由骨骼肌细胞制成，骨骼肌细胞参与自主运动；而真实人眼虹膜中的肌肉组织由平滑肌细胞构成，属于不自主肌肉组织。而他们选择以虹膜状模式对骨骼肌细胞进行图案化处理，旨在展示制造复杂多向肌肉组织的能力。

Raman 表示：“在这项研究中，我们想证明利用这种印章方法，能制造出以往肌肉驱动机器人无法做到某些动作的‘机器人’。我们选用了骨骼肌细胞，但其实这种方法适用于任何其他细胞类型。”

她还提到，尽管团队使用了精密打印技术，但印章设计用传统桌面 3D 打印机也能完成。展望未来，她和同事计划将冲压方法应用于其他细胞类型，探索不同的肌肉结构，研究激活人工多向肌肉以完成实际工作的方法。

Raman 表示，“若能在水下机器人中使用软生物机器人，取代常见的刚性驱动装置，不仅能提升导航能力、提高能源效率，而且软生物机器人还能完全生物降解，更具可持续性。这就是我们努力的方向。”

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来源：麻省理工科技评论APP