在机器人技术领域，一个激动人心的突破正在悄然发生。MIT的工程师们研发出一种创新的人工肌腱设计，为生物混合机器人带来了前所未有的力量提升。这项技术不仅解决了传统生物混合机器人面临的诸多挑战，更为未来微型手术工具、自适应探索机器人等应用开辟了新途径。
生物混合机器人的现状与挑战
生物混合机器人是一种结合了生物组织与合成材料的创新机器人系统。这类机器人利用实验室培养的肌肉组织作为天然执行器，与合成骨架相结合，创造出能够爬行、行走、游泳和抓取的多样化机器人。
"我们的肌肉是自然界中的执行器，"MIT机械工程助理教授、该研究的主要作者Ritu Raman解释道，"这些肌组织产生力量，使我们的身体得以运动。近年来，工程师们已开始使用真实肌肉组织来驱动由生物组织和合成部件组成的'生物混合机器人'。"
然而，现有的生物混合机器人设计在运动幅度和力量输出方面存在明显局限。传统方法通常是将肌肉组织两端直接连接到合成骨架上，类似于将橡皮筋绕在两个柱子上。当肌肉受到刺激收缩时，它可以拉动骨架的各个部分产生所需运动。
Raman指出："这种方法会产生大量被浪费的肌肉组织，这些肌肉本应用于产生运动，而非连接组织与骨架。而且这种连接并不总是牢固的。与骨骼结构相比，肌肉相当柔软，这种差异会导致肌肉撕裂或脱落。此外，通常只有肌肉中央部分的收缩最终能做功——而这部分产生的力量相对较小。"
人工肌腱的创新设计
面对这些挑战，Raman及其团队转向自然界的解决方案——肌腱。肌腱是一种位于肌肉和骨骼之间的坚韧连接组织，具有适中的刚度，能够有效弥合柔软肌肉与刚性骨骼之间的机械不匹配。
"我们一直在思考：如何避免浪费肌肉材料，使其更具模块化以连接任何东西，并使其工作更高效？"Raman说道，"自然界已经提供的解决方案是拥有肌腱，其刚度介于肌肉和骨骼之间，允许你有效弥合柔软肌肉和刚性骨架之间的机械不匹配。它们就像围绕关节高效缠绕的细缆绳。"
在最新研究中，Raman和她的同事设计出人工肌腱，将天然肌肉组织与合成机械爪骨架连接起来。他们选择了水凝胶作为材料——这是一种柔软而坚固的基于聚合物的凝胶。Raman从合作者兼合著者赵选贺（Xuanhe Zhao）处获得了水凝胶样品，赵选贺是MIT水凝胶开发的先驱者。
赵选贺的团队已经开发出具有不同韧性和拉伸性的水凝胶配方，这些水凝胶可以粘附到多种表面，包括合成和生物材料。
为了确定人工肌腱所需的韧性和拉伸性，Raman的团队首先将设计建模为一个简单的三弹簧系统，每个弹簧分别代表中央肌肉、两个连接肌腱和机械爪骨架。他们为肌肉和骨架分配了已知的刚度，并据此计算出要达到期望运动所需的连接肌腱的刚度。
基于这一建模，团队推导出特定刚度水凝胶的配方。凝胶制成后，研究人员小心地将凝胶蚀刻成细缆绳，形成人工肌腱。他们将两条肌腱连接到一小块实验室培养的肌肉组织样本的两端，然后将每条肌腱缠绕在机械爪每个手指末端的小柱子上——这一骨架设计由精密机械设计专家、机械工程教授Martin Culpepper开发。
性能突破：力量与速度的双重提升
当团队刺激肌肉收缩时，肌腱反过来拉动机械爪使其手指合拢。经过多次实验，研究人员发现，与仅使用肌肉组织带（没有任何人工肌腱）驱动的机械爪相比，肌腱-肌肉机械爪的工作速度快了3倍，产生的力量大了30倍。
更令人印象深刻的是，这种基于肌腱的新设计能够在7000次循环（肌肉收缩）内保持这种性能表现。总体而言，Raman观察到，添加人工肌腱将机器人的功率重量比提高了11倍，这意味着系统需要少得多的肌肉来完成相同的工作。
"你只需要一个智能连接到骨架的小型执行器，"Raman解释道，"通常情况下，如果肌肉非常柔软并连接到高阻力物体上，它会在移动任何东西之前就撕裂自己。但如果将其连接到像肌腱这样能够抵抗撕裂的结构上，它确实可以通过肌腱传递力量，并移动它原本无法移动的骨架。"
模块化设计的广阔前景
这项研究的另一个重要突破是其模块化特性。Raman和她的团队希望这种肌腱-肌肉单元能够适配各种生物混合机器人设计，就像一种通用的工程元件。
"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说道，"这种模块化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、自主的探索机器。"
苏黎世联邦理工学院健康科学与技术副教授、生物医学工程师Simone Schürle-Finke评价道："团队新的肌腱-肌肉设计成功地将生物学与机器人学融合。坚韧的水凝胶肌腱创造了更生理化的肌肉-肌腱-骨骼结构，大大提高了力量传输、耐用性和模块化程度。这使该领域朝着能够在实验室外重复运行并最终发挥功能的生物混合系统迈进。"
未来应用与研究方向
随着新的人工肌腱就位，Raman的团队正在继续开发其他元素，如类皮肤保护外壳，以便在现实世界的实际环境中实现肌肉驱动机器人的应用。
这项研究得到了美国国防部陆军研究办公室、MIT研究支持委员会和国家科学基金的部分支持。
生物混合机器人的潜在应用前景广阔：
- 微型手术助手：能够在人体内执行精细的微尺度手术程序
- 环境探索：被派往对人类来说过于遥远或危险的环境进行探索
- 自适应机器人：能够根据环境变化调整自身行为和形态
- 灾难救援：在人类难以进入的灾区执行搜救任务
- 太空探索：在太空环境中执行各种任务，利用肌肉组织的自我修复能力
技术原理与科学价值
这项研究的科学价值不仅在于其应用前景，更在于它揭示了生物组织与合成材料协同工作的新原理。传统机器人执行器通常难以小型化，而肌肉细胞作为独立执行器，能够产生力量和运动，理论上可以制造出非常小的机器人。
此外，肌肉执行器还具有其他优势：肌肉组织可以在锻炼过程中变得更强壮，受伤时能够自然愈合。这些特性使得肌肉机器人有朝一日可以被派往人类无法到达的极端环境，或作为微型手术助手在体内执行精细操作。
Raman和她的团队通过引入人工肌腱，成功解决了生物混合机器人中的几个关键问题：
- 提高力量传输效率：肌腱作为中间介质，有效传递肌肉力量
- 增强连接稳定性：减少肌肉撕裂和脱落的可能性
- 优化材料利用：减少用于连接而非运动的肌肉组织
- 实现模块化设计：使肌腱-肌肉单元成为可互换的通用元件
结论与展望
MIT工程师研发的这种人工肌腱技术代表了生物混合机器人领域的重要突破。通过模仿自然界的肌腱结构，他们成功提高了生物混合机器人的力量输出、运动速度和耐用性，同时实现了设计的模块化。
这项技术不仅解决了现有生物混合机器人面临的诸多挑战，更为未来微型手术工具、自适应探索机器人等应用开辟了新途径。随着研究的深入和更多配套技术的开发，我们有理由相信，生物混合机器人将在医疗、探索、救援等领域发挥越来越重要的作用。
正如Raman所言："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。这种模块化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、自主的探索机器。"
随着技术的不断成熟，生物混合机器人有望成为连接生物世界与机械世界的桥梁，为人类解决更多复杂挑战提供创新解决方案。
