人類的身體能夠運動自如，離不開眾多骨骼肌纖維間的協同配合，它們的收縮與拉伸同步進行，部分肌肉呈單向排列，而有些肌肉則形成復雜的圖案，助力身體特定部位實現多方式運動。
近年來，科學家和工程師將肌肉視為“生物混合”機器人的潛在驅動裝置。這類由人工培育的柔軟肌肉纖維供能的生物機器人，能在傳統機器難以涉足的空間里靈活蠕動、擺動。然而，多數情況下，研究人員制造出的人造肌肉僅能單向拉動，極大限制了機器人的運動范圍。
來源：MIT News
如今，麻省理工學院的工程師們研發出一種培育人工肌肉組織的新方法，所培育的肌肉組織可在多個協調方向上收縮、彎曲。
為了展示這項成果，他們培育出一種由肌肉驅動的人造結構，其收縮方式類似人眼虹膜縮放瞳孔，既能同心收縮，也能徑向收縮。
研究人員采用新開發的“沖壓”技術制造人造虹膜。首先，用 3D 打印技術制作一個小型手持式印章，印章上刻有微小凹槽，每個凹槽僅有細胞般大小；緊接著，將印章按壓進柔軟的水凝膠中，在形成的凹槽內植入真正的肌肉細胞。這些細胞會沿著水凝膠內的凹槽生長，逐漸形成纖維。
當研究人員刺激這些纖維時，肌肉便會沿著纖維方向向多個方向收縮。
“憑借這種仿虹膜設計，我們展示了首個能在多個方向產生力的骨骼肌驅動機器人，而這離不開我們新開發的 這種“沖壓”技術。”麻省理工學院機械工程系教授 Ritu Raman 表示。
研究人員開發了一種新的“沖壓”方法制造肌肉纖維（來源：MIT News）
按照研究團隊的說法，這種印章借助桌面 3D 打印機就能打印，且凹槽圖案可按需設計。它不僅能用于培育復雜的肌肉圖案，還有望培育其他類型的生物組織，比如神經元和心臟細胞，這些培育出的組織在外觀和行為上都與天然組織極為相似。
“我們期望制造出能復制真實組織結構復雜性的組織。要實現這一點，制造精度至關重要。”Raman 說道。
目前，這項研究成果已經發表在 Biomaterials Science 上。論文的麻省理工學院合著者包括第一作者 Tamara Rossy、Laura Schwendeman、Sonika Kohli、Maheera Bawa 和 Pavankumar Umashankar，此外還有以色列特拉維夫大學的 Roi Habba、Oren Tchaicheeyan 和 Ayelet Lesman。另外，這項研究還得到了美國國家科學基金會和美國國立衛生研究院等的支持。
聚焦生物材料設計
Raman 在麻省理工學院的實驗室專注于設計生物材料，旨在模擬體內真實組織的感知、活動及反應能力。總體而言，她的團隊致力于將這些生物工程材料應用于醫學、機械等多個領域。
比如，她正在研發能恢復神經肌肉損傷患者功能的人造組織，同時也在探索用于軟機器人技術的人造肌肉，像能像魚一樣靈活在水中游動的肌肉驅動游泳器。
此前，Raman 為實驗室培養的肌肉細胞開發了類似健身房平臺和鍛煉程序的東西。她和同事設計出一種水凝膠 “墊子”，能促進肌肉細胞生長并融合成纖維，且細胞不會脫落。
她還發明了一種通過基因工程改造細胞的方法，使細胞能在光脈沖刺激下“鍛煉”收縮。此外，她的團隊掌握了引導肌肉細胞像天然橫紋肌一樣，呈長而平行的線條生長的技術。不過，設計出能向多個可預測方向運動的人造肌肉組織，這對她的團隊及其他研究人員來說一直是個難題。
Raman 指出：“天然肌肉組織很特別，它們并非只朝一個方向。像我們虹膜和氣管周圍的圓形肌肉組織，哪怕是手臂和腿部的肌肉細胞，也不是筆直排列，而是有一定角度。天然肌肉在組織中有多個方向，可我們目前還無法在工程肌肉中實現這一點。”
繪制肌肉藍圖
在思考培育多向肌肉組織的方法時，團隊想到了一個簡單的點子 —— 印章。受經典果凍模具啟發，團隊希望設計出一種印章，其微觀圖案能壓印到水凝膠中，就像團隊之前開發的肌肉訓練墊一樣。壓印后的墊子圖案可作為肌肉細胞生長的路線圖。
Raman 說：“雖然想法很簡單，但問題一個個接踵而至。比如，怎么制作出特征僅有單個細胞大小的印章？又該怎么在超軟的材料上蓋章呢？這種水凝膠比果凍還軟，鑄造難度極大，因為它極易撕裂。”
團隊不斷嘗試改進印章設計，最終找到了一種效果極佳的方法。研究人員利用 MIT.nano 的高精度打印設備制作出小型手持式印章，得以在印章底部打印出復雜的凹槽圖案，每個凹槽寬度與單個肌肉細胞相近。在將印章壓入水凝膠墊前，他們先在底部涂上一種蛋白質，這能使印章均勻地壓印到凝膠中，且剝離時不會粘連或撕裂。
為進行演示，研究人員制作了一種圖案類似人類虹膜微觀的肌肉組織。虹膜由圍繞瞳孔的一圈肌肉構成，這個肌肉環內部是一圈同心排列的圓形肌肉纖維，外部是呈放射狀伸展的纖維，如同太陽光線。這種復雜結構共同協作，實現瞳孔的收縮或大。
Raman 及其同事將虹膜圖案壓入水凝膠墊后，在墊子上涂抹經過基因工程改造、能對光產生反應的細胞。短短一天內，細胞就會落入微小凹槽中，開始融合成纖維，沿著虹膜狀圖案生長，最終形成與真實虹膜結構和大小相似的整塊肌肉。
當研究團隊用光脈沖刺激人造虹膜時，肌肉會向多個方向收縮，與人眼虹膜的運動相似。
Raman 指出，團隊的人造虹膜由骨骼肌細胞制成，骨骼肌細胞參與自主運動；而真實人眼虹膜中的肌肉組織由平滑肌細胞構成，屬于不自主肌肉組織。而他們選擇以虹膜狀模式對骨骼肌細胞進行圖案化處理，旨在展示制造復雜多向肌肉組織的能力。
Raman 表示：“在這項研究中，我們想證明利用這種印章方法，能制造出以往肌肉驅動機器人無法做到某些動作的‘機器人’。我們選用了骨骼肌細胞，但其實這種方法適用于任何其他細胞類型。”
她還提到，盡管團隊使用了精密打印技術，但印章設計用傳統桌面 3D 打印機也能完成。展望未來，她和同事計劃將沖壓方法應用于其他細胞類型，探索不同的肌肉結構，研究激活人工多向肌肉以完成實際工作的方法。
Raman 表示，“若能在水下機器人中使用軟生物機器人，取代常見的剛性驅動裝置，不僅能提升導航能力、提高能源效率，而且軟生物機器人還能完全生物降解，更具可持續性。這就是我們努力的方向。”
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(審核編輯: 光光)
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