实验室培育肌肉驱动的仿生手势机器人手

生物混合手部手势与人体肌肉

日本某大学与另一所大学的团队构建了一款能够移动物体并做出“剪刀”手势的生物混合手。研究人员使用了实验室培育的、类似寿司卷般卷起的薄肌肉组织串，为手指提供了足够的收缩力量。研究人员创造的这些多重肌肉组织执行器（MuMuTAs），是构建更大尺寸生物混合肢体的重大进展。虽然目前仅限于实验室环境，但MuMuTAs有潜力推动未来生物混合假肢的发展，辅助针对肌肉组织的药物测试，并扩大生物混合机器人模仿真实生命形态的潜力。

“石头、剪刀、布”是一个经典的校园游戏，或者说是为犹豫不决的人提供快速决策的方式。但如果你选择“布”，你将输给这只机器人手，因为它已经掌握了“剪刀”手势的艺术。虽然这可能看起来是一个简单的动作，但在生物混合和假肢领域，这是在实现新的真实性和可用性水平上的一次飞跃。

这只手由一个3D打印的塑料底座和驱动手指的人体肌肉组织肌腱构成。迄今为止，生物混合设备通常尺寸要小得多（约1厘米长），或者仅限于更简单或单关节的运动。相比之下，这只生物混合手长度为18厘米，并拥有多关节手指，这些手指可以单独移动来做出手势，也可以组合起来操控物体。

某大学的教授解释道：“我们的关键成就是开发了MuMuTAs。这些是在培养基中生长的肌肉组织细丝，然后像寿司卷一样卷成一束，形成每根肌腱。创造MuMuTAs使我们能够克服最大的挑战，即确保肌肉有足够的收缩力和长度来驱动手部的大型结构。”

移动较大肢体所需的厚肌肉组织在实验室中难以生长，因为它会出现坏死。这是由于养分无法到达肌肉中心，导致组织损失。然而，通过使用多根薄肌肉组织捆绑在一起作为一个更大的肌肉单位，团队得以制造出具有足够强度的肌腱。

MuMuTAs通过防水电缆输送的电流进行刺激。为了测试手部的功能，团队通过收缩小指、无名指和拇指来操控手指形成剪刀手势。他们还使用手指来抓取并移动移液器的尖端。这展示了手部模仿一系列动作的能力，因为多关节手指可以单独或同时弯曲，这是一个令人印象深刻的壮举。

然而，使用真实的肌肉组织确实会带来一些缺点，任何去过健身房的人都可能知道。“虽然不完全令人惊讶，但有趣的是，在10分钟的电刺激后，组织的收缩力下降并显示出疲劳迹象，但在仅一小时的休息后就恢复了。在工程化的肌肉组织中观察到这种与活体组织相似的恢复反应，是一个显著且令人着迷的结果，”该教授说道。

目前，这只手必须悬浮在液体中，以便连接肌肉与手部的“锚点”或系带能够在没有摩擦的情况下浮动，从而使手指能够平滑移动。然而，团队相信，随着进一步的发展，将有可能构建出可以自由活动的手。

当前设计的另一个挑战是，手指不能被有意识地恢复到笔直的起始位置，而是通过漂浮就位。在手指背面添加弹性材料使其弹回原位，或者增加更多朝相反方向收缩的MuMuTAs，将能够更好地控制手指运动。

该教授表示：“生物混合机器人学的一个主要目标是模仿生物系统，这必然需要扩大其尺寸。我们开发的MuMuTAs是实现这一目标的重要里程碑。生物混合机器人领域仍处于起步阶段，有许多基础性挑战需要克服。一旦这些基本障碍得到解决，这项技术可以用于先进的假肢，也可以作为理解肌肉组织在生物系统中如何运作、测试外科手术或针对肌肉组织的药物的工具。”
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