肌肉組織與機械學在生物混合手突破中的相遇

結合實驗室培養的肌肉組織與靈活的機械關節，科學家們開發出能夠抓握和做手勢的人工手

這項突破顯示了新型機器人技術的潛在應用。

生物混合科技的早期階段

雖然我們在《新未來報》上看到了很多柔性機器人和令人鼓舞的機械義肢，但我們還沒有看到太多將人類組織與機器結合的發明。這可能是因為生物混合科學的世界仍然處於非常早期的階段。當然，曾經有過一種由人類心臟細胞驅動的人工魚和一種利用蝗蟲耳朵聽聲音的機器人，但就技術的實際應用而言，這個領域仍然相對空白。

東京大學和早稻田大學的突破

不過，現在日本東京大學和早稻田大學的研究人員展示了一項突破，顯示了這項技術的真正潛力。

為了創造他們的生物混合手，他們首先在實驗室中培養了一系列肌肉纖維。因為這些組織單獨來說不夠強壯，無法正常運作而不撕裂，研究人員將它們捆綁在一起，稱之為多組織驅動器（MuMuTAs）。這些組織然後被連接到一個3D列印的塑料手上，這個手有可動的關節，長約18公分（7英寸）。

MuMuTAs的關鍵成就

東京大學的竹內翔司（Shoji Takeuchi）表示：「我們的主要成就是開發了MuMuTAs。」竹內是描述這項創造的研究的共同作者，該研究已發表在《科學機器人學》期刊上。「這些是培養基中生長的薄肌肉組織，然後像壽司卷一樣捲起來，形成每根肌腱。創造MuMuTAs使我們克服了最大的挑戰，即確保肌肉有足夠的收縮力和長度來驅動手的巨大結構。」

人工手的運作

一旦MuMuTAs連接到人工手，研究人員就用電流刺激它們。這樣，他們成功地讓手做出剪刀手勢，並抓住和操作一根移液管的尖端。

生物混合模型的疲勞

也許最有趣的是，團隊發現，與人類手一樣，這個生物混合模型在使用後會「疲勞」，組織的力量隨著時間減少。

竹內說：「雖然這並不完全令人驚訝，但有趣的是，這些組織的收縮力在10分鐘的電刺激後減少，顯示出疲勞的跡象，但在休息一小時後就恢復了。觀察到這種類似於活組織的恢復反應，對於工程化的肌肉組織來說，是一個令人驚奇和迷人的結果。」

未來的挑戰

竹內和他的團隊承認，他們的手更像是一個概念驗證，而不是一個可用的設備，還有很多工作要做才能提高其功能。例如，在研究中，整個手被懸浮在液體中，以便讓關節以最小的摩擦運動。這種懸浮也使手的各個部分在被實驗室培養的肌腱彎曲後能夠回到中立位置，儘管團隊表示，添加彈性材料或更多朝相反方向排列的MuMuTAs可以解決這個問題。

生物混合機器人的重要里程碑

儘管如此，研究人員表示，通過將組織捆綁在一起，他們的發明克服了生物混合技術在擴展性方面的一個重大障礙。之前這類設備的大小通常不超過一公分（約半英寸），所以18公分長的手是一個很大的進步。

竹內說：「生物混合機器人的一個主要目標是模仿生物系統，這需要擴大它們的大小。我們對MuMuTAs的開發是實現這一目標的重要里程碑。生物混合機器人領域仍然處於起步階段，還有許多基礎挑戰需要克服。一旦這些基本障礙得到解決，這項技術可以用於先進的義肢，也可以作為了解肌肉組織在生物系統中如何運作的工具，來測試外科手術或針對肌肉組織的藥物。」

來源：東京大學