在机器人技术不断发展的今天，将生物组织与机械结构相结合的"生物混合机器人"正展现出巨大潜力。MIT工程师最近的一项突破性研究为这一领域带来了革命性进展——他们开发出创新的人工肌腱技术，成功解决了生物混合机器人长期面临的力量传递和效率问题。
生物混合机器人的挑战与机遇
我们的肌肉是自然界中最天然的执行器，是产生身体运动力量的组织。近年来，工程师们开始利用真实的肌肉组织来驱动由生物组织和人造部件共同组成的"生物混合机器人"。通过将实验室培养的肌肉与人造骨架相结合，研究人员正在开发各种由肌肉驱动的爬行器、步行者、游泳机器人和夹持器。
然而，这些设计大多在运动幅度和功率输出方面受到限制。肌肉组织虽然具有自我修复和随使用增强的独特优势，但如何有效地将这种柔软的生物组织与刚性的人造结构连接起来，一直是该领域面临的主要挑战。
正如MIT机械工程助理教授、该研究的首席作者Ritu Raman所言："大多数工程师通常使用的执行器很难小型化。超过一定尺寸后，基本物理原理就不适用了。肌肉的好处在于，每个细胞都是独立的执行器，能够产生力和运动。理论上，你可以制造出非常小的机器人。"
人工肌腱的创新设计
为了解决这一挑战，Raman和她的团队设计出由坚韧且灵活的水凝胶制成的人工肌腱。他们将这种橡皮筋状的肌腱连接到一小块实验室培养的肌肉的两端，形成一个"肌肉-肌腱单元"。然后，他们将每条人工肌腱的末端连接到一个机器人夹持器的手指上。
当刺激中央肌肉收缩时，肌腱会拉动夹持器的手指使其闭合。与没有连接肌腱的相同设计相比，这种机器人夹持器手指闭合的速度提高了3倍，力量增强了30倍。
"我们正在引入人工肌腱作为肌肉执行器与机器人骨架之间的可互换连接器，"Raman解释道。"这种模块化设计可以更容易地设计各种机器人应用，从微型手术工具到自适应自主探索设备。"
技术原理与突破
研究团队首先将设计建模为一个简单的三弹簧系统，分别代表中央肌肉、两条连接肌腱和夹持器骨架。他们为肌肉和骨架分配了已知的刚度值，并据此计算出所需肌腱的刚度，以实现期望的运动幅度。
基于这一建模结果，团队开发出特定配方的水凝胶。他们小心地将这种凝胶蚀刻成细缆状，形成人工肌腱。这些肌腱被连接到一小块肌肉组织的两端，然后每条肌腱围绕夹持器每个手指末端的一个小柱子缠绕——这一骨架设计由MIT机械工程教授Martin Culpepper开发。
通过多次实验，研究团队发现，与仅使用肌肉带驱动的夹持器相比，肌肉-肌腱夹持器的工作速度快3倍，产生的力量多30倍。这种基于肌腱的新设计还能在7000次循环（肌肉收缩）内保持这种性能。
总体而言，人工肌腱的加入使机器人的功率重量比提高了11倍，这意味着系统所需肌肉量大大减少，却能完成同样的工作。
"你只需要一个智能连接到骨架的小型执行器，"Raman解释道。"通常，如果肌肉非常柔软且连接到高阻力的物体上，它会在移动任何东西之前就撕裂自己。但如果你将它连接到像肌腱这样能抵抗撕裂的物体上，它就能真正通过肌腱传递力量，移动原本无法移动的骨架。"
应用前景与未来发展方向
这项研究为生物混合机器人开辟了广阔的应用前景。微型手术机器人可以利用这种肌肉-肌腱系统执行体内精细操作；探索机器人可以在危险或偏远环境中自主工作，并在需要时自我修复；自适应机器人可以根据环境变化调整其运动方式。
苏黎世联邦理工学院生物医学工程教授Simone Schürle-Finke评价道："坚韧的水凝胶肌腱创造了更生理化的肌肉-肌腱-骨骼结构，大大提高了力量传递性、耐久性和模块化程度。这一进展将推动该领域向可重复运行并最终能在实验室外功能化的生物混合系统发展。"
Raman的团队正在继续开发其他元素，如皮肤状保护外壳，以便在现实世界的实际环境中应用这些肌肉驱动的机器人。
研究意义与行业影响
这项发表在《先进科学》期刊上的研究代表了生物混合机器人领域的重要突破。通过引入人工肌腱概念，研究人员不仅解决了肌肉与刚性骨架之间的机械不匹配问题，还提供了一种模块化的设计方法，可以应用于各种机器人架构。
这一技术的潜在影响远超实验室范围。随着机器人技术向更小型化、更灵活和更自主的方向发展，能够高效传递力量的肌肉-肌腱系统将成为关键组件。从医疗微型手术到太空探索，从环境监测到灾难救援，这项技术有望催生新一代高性能生物混合机器人。
随着研究的深入和技术的成熟，我们可以期待看到更多基于这一原理的创新应用，进一步模糊生物组织与机械系统之间的界限，开创机器人技术的新纪元。
