（來(lái)源：MIT News）

我們的肌肉是大自然的執(zhí)行器。正是這些筋腱相連的組織產(chǎn)生力量，讓身體得以運(yùn)動(dòng)。近些年，工程師們開(kāi)始將真實(shí)的肌肉組織用于驅(qū)動(dòng)由活體組織與合成部件共同構(gòu)成的“生物混合機(jī)器人”（biohybrid robots）。通過(guò)將實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的肌肉與人工骨架配對(duì)，研究人員已經(jīng)造出了一系列由肌肉驅(qū)動(dòng)的爬行器、步行器、游動(dòng)器以及抓取裝置。

不過(guò)，大多數(shù)這類設(shè)計(jì)受限于運(yùn)動(dòng)幅度和輸出力量。如今，MIT 工程師希望借助人工肌腱，為這些“生物混合機(jī)器人”做一次性能升級(jí)。

在近期發(fā)表于 Advanced Science 的一項(xiàng)研究中，研究人員開(kāi)發(fā)了由堅(jiān)韌且柔軟的水凝膠制成的人工肌腱。他們將橡皮筋般的肌腱連接在一小段實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的肌肉組織兩端，構(gòu)建出一個(gè)“肌肉–肌腱單元”。接著，他們把人工肌腱的末端連接到機(jī)械手的手指上。

當(dāng)中間的肌肉被刺激收縮時(shí)，肌腱就會(huì)拉動(dòng)機(jī)械手的指尖合攏。有了人工肌腱的連接，這個(gè)機(jī)器人捏合手指的速度是無(wú)肌腱設(shè)計(jì)的三倍，力量則提升了三十倍。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)想，這種新的肌肉–肌腱單元可以像一種“通用接口”一樣，被嵌入各種生物混合機(jī)器人設(shè)計(jì)中。

“我們引入人工肌腱，作為肌肉驅(qū)動(dòng)器和機(jī)器人骨架之間的通用連接件?！闭撐牡谝蛔髡摺IT 機(jī)械工程助理教授 Ritu Raman 說(shuō)，“這種模塊化方式可能會(huì)讓我們更容易設(shè)計(jì)出從微尺度手術(shù)工具到自適應(yīng)、自動(dòng)化的探索機(jī)器等各種機(jī)器人應(yīng)用?！?/p>

圖 | 生物混合型肌腱單元（來(lái)源：上述論文）

論文作者來(lái)自 MIT，包括研究生 Nicolas Castro、Maheera Bawa、Bastien Aymon、Sonika Kohli 和 Angel Bu；本科生 Annika Marschner；博后 Ronald Heisser；校友 Sarah J. Wu（2019 級(jí)本科、2021 碩士、2024 博士）與 Laura Rosado（2022 本科、2025 碩士）；以及機(jī)械工程系教授 Martin Culpepper 和 Xuanhe Zhao。

肌肉增長(zhǎng)

Raman 與她在 MIT 的同事們是生物混合機(jī)器人領(lǐng)域的前沿探索者，這是近十年來(lái)興起的新方向。研究核心是將合成結(jié)構(gòu)的機(jī)器人零件與作為天然驅(qū)動(dòng)器的活體肌肉組織結(jié)合在一起。

“工程師常用的執(zhí)行器很難做得足夠小?！盧aman 說(shuō)，“一旦尺寸下降到某個(gè)臨界，小型執(zhí)行器的基礎(chǔ)物理原理就不再成立。而肌肉的優(yōu)點(diǎn)在于，每個(gè)細(xì)胞本身就是一個(gè)能夠產(chǎn)生力量、完成運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器。因此，從原理上說(shuō)，你能制造非常微小的機(jī)器人。”

肌肉驅(qū)動(dòng)器還有其他優(yōu)勢(shì)，Raman 團(tuán)隊(duì)已有相關(guān)證明：肌肉組織在訓(xùn)練后可以變得更強(qiáng)壯，受損后也能自然愈合。因此，研究者認(rèn)為，肌肉驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人未來(lái)或許可以被送往人類難以抵達(dá)或危險(xiǎn)的環(huán)境執(zhí)行任務(wù)。它們可以在需要時(shí)鍛煉以增強(qiáng)力量，或在無(wú)法獲得維修的情況下自行恢復(fù)。此外，生物混合機(jī)器人也可用作體內(nèi)微尺度手術(shù)的助手機(jī)器人。

正是這些未來(lái)前景，推動(dòng) Raman 及其同行探索如何將活體肌肉與合成骨架高效結(jié)合。迄今的設(shè)計(jì)通常是培養(yǎng)一條肌肉帶，再把兩端固定在人工骨架的不同部位，類似將橡皮筋繞在兩個(gè)柱子上。當(dāng)肌肉收縮時(shí)，它會(huì)拉動(dòng)骨架部件實(shí)現(xiàn)預(yù)期動(dòng)作。

但 Raman 指出，這種方式浪費(fèi)了大量用于連接的肌肉組織，而且連接并不牢靠。肌肉比骨架要軟得多，這種力學(xué)不匹配容易導(dǎo)致撕裂或脫落。更關(guān)鍵的是，往往只有肌肉中部的那小段收縮真正產(chǎn)生了有效的力——既少，又弱。

“我們?cè)谙耄喝绾螠p少肌肉浪費(fèi)，讓它更像一個(gè)模塊，能接到任何結(jié)構(gòu)上，同時(shí)提升效率？”她說(shuō)，“人體的解決方案就是肌腱——它們的剛度介于肌肉與骨骼之間，能彌合二者的力學(xué)差異，就像繞過(guò)關(guān)節(jié)的細(xì)纜繩一樣高效?！?/p>

聰明地連接

在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了人工肌腱來(lái)連接天然肌肉組織與機(jī)械手骨架。他們選擇的材料是水凝膠——一種既柔軟又耐用的聚合物凝膠。Raman 從共同作者 Xuanhe Zhao 教授那里獲得了水凝膠樣品，Zhao 的團(tuán)隊(duì)在 MIT 一直致力于開(kāi)發(fā)多種伸展性可調(diào)、且能粘附于多種合成和生物材料的水凝膠。

為了確定人工肌腱應(yīng)具備怎樣的強(qiáng)度與彈性以適配機(jī)械手設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)先用“彈簧模型”模擬整個(gè)結(jié)構(gòu)：中央肌肉、一對(duì)肌腱及骨架分別對(duì)應(yīng)不同剛度的彈簧。他們利用已知的肌肉與骨架剛度，計(jì)算出要實(shí)現(xiàn)指定運(yùn)動(dòng)所需的肌腱剛度。

依此模型，團(tuán)隊(duì)配制出具有目標(biāo)剛度的水凝膠，并將其蝕刻為細(xì)纜狀的人工肌腱。他們采用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)培養(yǎng)肌肉組織，并將人工肌腱連接在肌肉兩端，再將每根肌腱繞到機(jī)械手指尖的小柱上，機(jī)械手設(shè)計(jì)由精密機(jī)械專家 Culpepper 教授團(tuán)隊(duì)完成。

當(dāng)肌肉被刺激收縮時(shí)，肌腱會(huì)隨之拉近機(jī)械手的指尖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，相比僅依靠肌肉帶驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，加入肌腱后，機(jī)械手捏合動(dòng)作快三倍、力量大三十倍。此外，這一肌腱設(shè)計(jì)還可持續(xù)運(yùn)行 7,000 個(gè)收縮循環(huán)而不降性能。

（來(lái)源：上述論文）

總體而言，人工肌腱讓機(jī)器人的“功重比”（power-to-weight ratio）提升了 11 倍，也就是說(shuō)，用更少的肌肉完成了更多工作。

“你只需要一小塊與骨架聰明連接的驅(qū)動(dòng)組織?！盧aman 說(shuō)，“通常，軟肌肉若直接接觸高阻抗結(jié)構(gòu)，只會(huì)先被拉裂。但如果連接到能承受拉力的肌腱，就能成功把力量傳遞出去，推動(dòng)原本無(wú)法推動(dòng)的骨架。”

生物醫(yī)學(xué)工程師、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zürich）教授 Simone Schürle-Finke 評(píng)價(jià)這一成果：“堅(jiān)韌的水凝膠肌腱構(gòu)建出更符合生理結(jié)構(gòu)的‘肌肉–肌腱–骨骼’體系，極大提升了力的傳遞、耐久性與模塊化程度。這推動(dòng)了生物混合系統(tǒng)向可重復(fù)運(yùn)行、并最終走出實(shí)驗(yàn)室的方向邁進(jìn)。

有了人工肌腱，Raman 團(tuán)隊(duì)正在繼續(xù)研發(fā)更多組件，例如類皮膚的保護(hù)外殼，為肌肉驅(qū)動(dòng)機(jī)器人走向?qū)嶋H應(yīng)用鋪路。

1.https://news.mit.edu/2025/artificial-tendons-give-muscle-powered-robots-boost-1201

2.https://doi.org/10.1002/advs.202512680