日本研發生物混合手：用「壽司捲」肌肉組織操控物體

日本東京大學和早稻田大學的研究團隊打造出了一款生物混合手，它能夠移動物體，還能做出剪刀手的手勢。研究人員把實驗室培養的薄肌肉組織細線捆成類似壽司捲的樣子，讓手指有足夠的力量收縮。

研究人員創造的這些多肌肉組織致動器（MuMuTAs），是打造更大生物混合四肢的重大突破。目前雖然還局限於實驗室環境，但MuMuTAs有潛力推動未來生物混合義肢的發展，有助於在肌肉組織上進行藥物測試，還能拓展生物混合機器人模擬真實形態的可能性。

「剪刀、石頭、布」是經典的校園遊戲，也是讓猶豫不決的人快速做決定的方法。但要是選布，你可就會輸給這隻機器手了，它已經熟練掌握了剪刀手的手勢。雖然這看似是個簡單的動作，但在生物混合和義肢領域，這可是向著更高的真實度和可用性邁出的一大步。

這隻手是由3D列印的塑膠底座製成，搭配人類肌肉組織的肌腱來帶動手指。到目前為止，生物混合裝置通常規模要小得多（大約1公分長），或者局限於更簡單的單關節動作。相比之下，這隻生物混合手長達18公分，手指有多個關節，可以單獨活動做出手勢，也能聯合起來操控物體。

東京大學的教授Takeuchi Shoji解釋說：「我們的關鍵成果是研發出了MuMuTAs。這些是在培養基中培養的細薄肌肉組織條，然後像壽司捲一樣捲成一束，做成每一根肌腱。」他還表示：「創造出MuMuTAs讓我們克服了最大的挑戰，也就是要確保肌肉有足夠的收縮力和長度，來帶動這隻手的大型結構。」

做出這個簡單剪刀手勢所需的複雜動作組合，比之前的生物混合機器人的能力有了很大提升。在實驗室裡，要培養移動更大四肢所需的厚肌肉組織很困難，因為它會出現壞死現象，也就是營養無法到達肌肉中心，導致組織損失。然而，研究團隊通過把多條薄肌肉組織捆在一起當作一塊大肌肉，成功創造出了有足夠力量的肌腱。

MuMuTAs是通過防水電纜輸送的電流來刺激的。為了測試這隻手的能力，研究團隊通過收縮小指、無名指和拇指，讓手指做出剪刀手勢。他們還用手指抓住並移動移液管的尖端。這展示了這隻手模擬一系列動作的能力，因為多關節手指可以單獨彎曲，也能同時彎曲，這可是相當了不起的。

然而，使用真正的肌肉組織也有一些缺點，去過健身房的人可能都知道。Takeuchi說：「雖然並不十分意外，但有趣的是，經過10分鐘的電刺激後，組織的收縮力下降，並顯示出疲勞的跡象，但在休息一小時內就恢復了。在工程化的肌肉組織中觀察到這種類似於活體組織的恢復反應，是一個非凡而迷人的結果。」

目前，這隻手必須懸浮在液體中，這樣連接肌肉和手的「錨點」或繫帶才能無摩擦地漂浮，讓手指能夠順暢移動。不過，研究團隊相信，隨著進一步的發展，有可能打造出能夠自由移動的手。

目前設計的另一個挑戰是，手指不能主動回到伸直的起始位置，而是靠漂浮回到原位。如果添加彈性材料讓它們彈回原位，或者在手指背部增加更多反向收縮的MuMuTAs，就能更好地控制手指的動作。

一個MuMuTA由多條薄肌肉組織組成，每一條都細到足以防止中心壞死，也就是組織損失。這些組織在平坦的地方培養，高纖維排列增強了MuMuTA的收縮能力。把這種薄片狀結構捲成三維形狀，能將個別肌肉組織之間的差異降到最低，從而實現卓越的收縮性。生物混合手指採用了類似肌腱結構的纜繩驅動機制，這種結構將多關節手指與MuMuTA連接起來，MuMuTA收縮時會拉動類似肌腱的結構，使手指彎曲。

Takeuchi表示：「生物混合機器人的一個主要目標是模擬生物系統，這就需要擴大它們的規模。我們研發的MuMuTAs是實現這一目標的重要里程碑。生物混合機器人領域仍處於起步階段，有許多基礎性挑戰需要克服。一旦解決了這些基本障礙，這項技術可用於先進的義肢，也可以作為了解生物系統中肌肉組織如何運作的工具，用於測試針對肌肉組織的手術程序或藥物。」