多向人工肌肉：軟體機器人的未來之路

我們之所以能夠活動，全靠眾多骨骼肌纖維的協調運作，它們同步收縮與拉動。有些肌肉沿著單一方向排列，而另一些則形成複雜的結構，幫助身體各部位以多種方式移動。近年來，科學家與工程師將目光投向肌肉，視其為「生物混合」機器人的潛在驅動器——這些機器由柔軟的人工培養肌肉纖維提供動力。這類生物機器人能夠在傳統機器無法進入的空間中蠕動與扭動。然而，大多數情況下，研究人員只能製造出單向拉動的人工肌肉，限制了機器人的運動範圍。

如今，麻省理工學院（MIT）的工程師開發出一種方法，能夠培養出在多個協調方向上收縮與彎曲的人工肌肉組織。作為示範，他們培養了一種人工肌肉結構，能夠同時向心與放射狀拉動，類似於人類眼睛虹膜的作用——擴張與收縮瞳孔。研究人員使用一種新型的「壓印」技術來製造人工虹膜。首先，他們3D列印了一個小型手持印章，上面刻有微觀溝槽，每個溝槽的大小與單個細胞相當。接著，他們將印章壓入柔軟的水凝膠中，並在溝槽中植入真實的肌肉細胞。這些細胞沿著水凝膠中的溝槽生長，形成纖維。當研究人員刺激這些纖維時，肌肉便會沿著纖維的排列方向在多個方向上收縮。

「透過虹膜設計，我們相信我們展示了第一個能夠在多個方向上產生力量的骨骼肌驅動機器人。這正是壓印技術的獨特之處，」MIT機械工程系組織工程學教授Ritu Raman表示。研究團隊指出，這種印章可以使用桌上型3D列印機列印，並配備不同圖案的微觀溝槽。這種印章可用於培養複雜的肌肉結構，甚至其他型別的生物組織，如神經元和心臟細胞，這些組織的外觀與行為都與自然組織相似。

「我們希望製造出能夠複製真實組織結構複雜性的組織，」Raman說道。「要實現這一點，你確實需要在製造過程中達到這種精確度。」她與同事們的研究成果已於3月14日發表在《生物材料科學》期刊上，並開放存取。Raman的實驗室致力於開發能夠模仿人體組織感知、活動與反應的生物材料。她的團隊廣泛地將這些生物工程材料應用於從醫學到機械的各個領域。例如，她正在研究如何製造人工組織，以恢復神經肌肉損傷患者的功能。此外，她也在探索將人工肌肉應用於軟體機器人，例如能夠像魚一樣靈活遊動的肌肉驅動游泳機器人。

Raman先前曾開發出可視為實驗室培養肌肉細胞的「健身平臺」與「鍛鍊程式」。她與同事設計了一種水凝膠「墊子」，能夠促進肌肉細胞生長並融合成纖維，而不會剝離。她還設計了一種方法，透過基因工程讓細胞在光脈衝刺激下收縮。她的團隊也找到了讓肌肉細胞沿著長而平行的線條生長的方法，類似於自然的橫紋肌。然而，對於她與其他研究人員來說，設計出能夠在多個可預測方向上移動的人工肌肉組織一直是一大挑戰。

「自然肌肉組織的一個有趣之處在於，它們並非只朝一個方向生長。例如，我們虹膜和氣管周圍的環狀肌肉，甚至手臂和腿部的肌肉細胞也並非直線排列，而是以一定角度生長，」Raman指出。「自然肌肉在組織中具有多種方向性，但我們尚未能在工程肌肉中複製這一點。」在思考如何培養多向肌肉組織時，團隊想到了一個出奇簡單的點子：印章。受經典果凍模具的啟發，團隊設計了一種帶有微觀圖案的印章，可以壓印到水凝膠中，類似於團隊先前開發的肌肉訓練墊。壓印墊上的圖案可以作為肌肉細胞生長的路線圖。

「這個想法很簡單。但如何製造出與單個細胞大小相當的印章？又如何壓印到極其柔軟的材料上？這種凝膠比果凍還要柔軟，且非常容易撕裂，」Raman解釋道。團隊嘗試了多種印章設計，最終找到了一種效果驚人的方法。研究人員在MIT.nano的高精度列印設施中製造了一個小型手持印章，能夠在印章底部列印出與單個肌肉細胞寬度相當的複雜溝槽圖案。在將印章壓入水凝膠墊之前，他們在印章底部塗上一層蛋白質，幫助印章均勻壓印到凝膠中，並在剝離時不會黏附或撕裂。

作為示範，研究人員列印了一個帶有人類虹膜微觀肌肉結構圖案的印章。虹膜由圍繞瞳孔的環狀肌肉組成，這圈肌肉由內層的同心圓排列肌肉纖維與外層的放射狀排列纖維構成，共同作用以收縮或擴張瞳孔。當Raman與同事將虹膜圖案壓印到水凝膠墊上後，他們在墊子上塗覆了經過基因工程改造、對光有反應的細胞。一天之內，這些細胞便落入微觀溝槽中，開始融合成纖維，沿著虹膜狀的圖案生長，最終形成一個與真實虹膜結構與大小相似的人工肌肉。

當團隊用光脈衝刺激人工虹膜時，肌肉在多個方向上收縮，類似於人類眼睛的虹膜。Raman指出，團隊的人工虹膜是由骨骼肌細胞製成的，這些細胞參與自主運動，而真實人類虹膜的肌肉組織則由平滑肌細胞構成，屬於非自主肌肉組織。他們選擇用骨骼肌細胞來模擬虹膜圖案，以展示製造複雜多向肌肉組織的能力。

「在這項工作中，我們希望展示我們可以使用這種壓印方法製造出能夠完成以往肌肉驅動機器人無法完成任務的『機器人』，」Raman說道。「我們選擇使用骨骼肌細胞，但這並不意味著你不能用其他型別的細胞來實現這一點。」她指出，雖然團隊使用了高精度列印技術，但這種印章設計也可以使用傳統的桌上型3D列印機製造。未來，她與同事計劃將壓印方法應用於其他細胞型別，並探索不同的肌肉結構與啟用人工多向肌肉的方式，以完成有用的工作。

「如果我們能使用軟體生物機器人，而不是傳統水下機器人中的剛性驅動器，我們將能夠更節能地導航，同時完全可生物降解且永續，」Raman表示。「這是我們希望邁向的目標。」