在探索珊瑚礁、浅海沉积层等脆弱水下生态系统时，传统金属与塑料电机驱动的机器人往往因刚性结构而难以避免对环境的物理扰动。为制造足够柔软的机器，工程师们转向活体组织，构建以实验室培养的骨骼肌块为动力的生物混合机器人。然而，这类生物引擎通常需要数百万个细胞才能制造，导致机器人笨重且造价高昂。如今，麻省理工学院（MIT）的一个工程师团队绕开了厚实肌肉块的需求，设计出一种由比单根人类头发还薄的活体肌肉组织层驱动的游泳机器人。该柔性装置长约一块口香糖，宽亦相当，相关成果发表于《Advanced Functional Materials》期刊。
光控肌肉驱动：双鳍结构与运动机制
该机器人的核心结构由两半纸片厚度的凝胶骨架构成，充当鳍片，每片表面均涂覆有经基因工程改造的肌肉细胞，这些细胞在暴露于光照时会收缩。MIT机械工程副教授、研究作者Ritu Raman指出：“在水中移动比在空气中需要更大的力。考虑到其尺寸，这个机器人相当强壮。”当光照照射到一侧鳍片时，肌肉细胞同步收缩，使凝胶弯曲并推动周围水体；若将闪光照射到对侧鳍片，则力的方向改变。通过改变哪一侧接受光照以及闪光频率，研究人员能够操控机器人的转向并调节其速度。
在一个大型培养皿中，该机器人跟随手动控制的光源，成功穿越了一个简单的水下迷宫。其最高速度约为每分钟移动自身身体长度的4倍。作为对比，奥林匹克游泳运动员每分钟可游过约65倍体长，而一头牛鲨在海洋中悠闲游动时的速度大致与这款机器人相当。这是首个能够实现自主运动的超薄二维肌肉驱动机器人。MIT共同作者包括第一作者Maheera Bawa、Arielle Berman、Laura Schwendeman、Ferdows Afghah和Seanbiron Johnson。
从微米位移到有效推进：材料与结构优化
Raman表示：“目前，我们团队和其他团队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建的，制造需要数百万个细胞。”她指出，像团队新机器人这样更薄、更轻巧的设计可能造价更低，且运动效率更高。“我们相信，由活体肌肉驱动的生物混合机器人有朝一日能够执行精细任务，例如探索那些对传统硬件而言过于脆弱或不可预测的环境，因为活体组织柔软、能响应周围环境，并且可以自我修复。”
要让如此薄的肌肉片驱动机器人，研究人员必须解决此前实验遗留的问题。去年，Raman团队构建了一个受虹膜启发的人工肌肉组织圆盘。他们在凝胶圆盘上压印出同心和径向沟槽，并在其表面沉积活体肌肉细胞。细胞沿着这些图案生长，形成一层薄肌肉，在光刺激下拉伸和挤压圆盘，就像眼睛虹膜改变瞳孔大小一样。Raman说：“人们此前从未见过这种从零开始工程化的肌肉架构。细胞向多个方向移动，但它们仅移动了约100微米。从机器人学角度看，它们的运动微乎其微。”
要将这些微小运动转化为游泳动力，肌肉细胞需要在不放弃薄层架构的前提下产生更有用的力。大部分改进来自改变细胞下方的材料。早期设计使用纤维蛋白——一种超软凝胶，在肌肉收缩产生的力下可能皱缩。如果支撑材料太容易变形，肌肉的一部分努力就会消耗在使凝胶变形上，而非产生更大的运动。
研究人员决定调整肌肉支撑骨架的三个特性：其组成、刚度以及引导细胞生长的沟槽尺寸和形状。Raman说：“对于任何类型的组织工程，已知这些都是可调节的参数。我们希望优化所有这些参数以支持活体肌肉细胞。”不同的沟槽形状产生了明显不同的肌肉排列。有些类似狭窄的方形槽，另一些则更像长谷。肌肉细胞在方形底部沟槽内排列更有效。更好的排列促使细胞融合成纤维，产生更强壮、更协调的肌肉组织。
团队还用明胶甲基丙烯酰（GelMA）——一种组织工程中使用的材料——替代了纤维蛋白。通过制备不同的GelMA配方，研究人员能够测试不同刚度的骨架。肌肉细胞在更硬的凝胶上排列更好，并产生最大的力。约半毫米厚的GelMA薄膜为单层肌肉提供了足够支撑，同时保持轻便和柔韧。在收缩过程中，细胞能够保持附着在薄膜上，而不是从表面剥离。
训练与未来展望
反复刺激进一步增强了组织。研究人员通过闪光对肌肉进行训练，在要求细胞驱动机器人之前有效地锻炼了细胞。随后，他们在薄GelMA主体的两侧压印方形底部沟槽，并在表面排列肌肉细胞。当细胞融合成对齐的纤维时，它们形成了两个独立控制的肌肉，充当机器人的鳍片。Raman说：“你可以把机器人看作有两个独立的肌肉。如果我们只照射一个，只有那个肌肉运动。如果照射两个，它们都会拍动。”
该机器人目前的形状被有意保持简单，以便研究人员首先确定单层肌肉是否能产生足够的游泳力。在这一点得到证明后，他们可以开始改变身体本身以提高性能。Raman说：“我们的下一个目标是优化身体设计以实现更快的游泳速度。但即使在慢速游泳下，也可以想象肌肉驱动的游泳者被用于水生环境监测等目的。”
该研究部分由美国海军研究办公室资助。
DOI: 10.1002/adfm.78065