在生物工程與機器人技術(shù)的交匯點(diǎn)上，人類(lèi)對生命本質(zhì)的模仿正在改寫(xiě)未來(lái)科技的邊界。自生物混合機器人概念提出以來(lái)，曾長(cháng)期困于“尺寸與力量"的悖論：人工培養的肌肉組織一旦超過(guò)一定長(cháng)度，內部細胞便因營(yíng)養滲透不足而壞死；而微型化的肌肉束雖能存活，卻因收縮力不足難以驅動(dòng)復雜結構。

近日，東京大學(xué)研究團隊成功研發(fā)出由培養肌肉組織全驅動(dòng)、具備多關(guān)節靈活運動(dòng)的仿生機械手，并被日本ANN NEWS報道。這項突破性成果不僅攻克了傳統生物混合機器人尺寸與力量受限的難題，更通過(guò)創(chuàng )新性整合摩方精密微納3D打印技術(shù)，為人工肌肉驅動(dòng)系統開(kāi)辟了全新路徑，標志著(zhù)人類(lèi)在生物機電一體化領(lǐng)域邁出關(guān)鍵一步。

該研究提出了一種基于多肌肉組織驅動(dòng)器（MuMuTA）的生物混合機械手，實(shí)現了大規模、多自由度的仿生運動(dòng)。通過(guò)優(yōu)化肌肉組織排列和電刺激參數，該系統在收縮力、運動(dòng)控制精度和耐久性方面均優(yōu)于現有方法。實(shí)驗結果表明，該仿生手能夠執行復雜手勢和物體操作，為未來(lái)生物混合機器人的發(fā)展奠定了基礎。未來(lái)研究可進(jìn)一步提高肌肉組織的收縮效率，并探索其在可穿戴設備、康復醫療和機器人操控等領(lǐng)域的應用。這項突破性成果以“Biohybrid hand actuated by multiple human muscle tissues"為題登上了國際期刊《Science Robotics》的最新雜志封面。

研究團隊受"壽司卷"結構啟發(fā)，成功開(kāi)發(fā)出18 cm長(cháng)的生物混合機械手裝置。該裝置采用創(chuàng )新性仿生設計：首先將8條直徑為50 μm、長(cháng)度為10 cm的薄層肌肉組織平行排列，通過(guò)卷曲工藝形成圓柱形基體結構；在此基礎結構上整合五根具備多關(guān)節活動(dòng)能力的仿生手指，每根手指均配置一個(gè)獨立控制的MuMuTA，實(shí)現精準的抓取動(dòng)作。這種設計既保障了每根肌肉的氧氣與營(yíng)養供給，又通過(guò)高取向性肌纖維（排列精度超95%）將單個(gè)驅動(dòng)器收縮力提升至8 mN，收縮位移達4 mm，較傳統方案提升400%。

圖1. 由MuMuTA驅動(dòng)的生物混合機械手構建方法。

圖2. 構建和培養肌肉組織的評估。

更精妙的是，團隊采用仿生線(xiàn)纜驅動(dòng)系統，將MuMuTA的線(xiàn)性收縮轉化為多關(guān)節運動(dòng)：每根仿生手指內部設有中空導軌與“人造肌腱"，通過(guò)精準調控電刺激參數（1.5V/mm電場(chǎng)強度，600ms脈沖時(shí)長(cháng)），實(shí)現單指130 °彎曲、關(guān)節轉速500 °/s的類(lèi)人運動(dòng)。其中，團隊利用摩方精密nanoArch® S140（精度：10 μm）3D打印系統制備了多關(guān)節中空手指骨架和細胞培養錨定結構。骨架內壁的類(lèi)肌腱導軌設計精度達10 μm，為細胞生長(cháng)提供了精準的物理引導路徑。

實(shí)驗顯示，這只18 cm的機械臂可獨立控制五指，完成剪刀手勢、鋼琴鍵按壓等復雜動(dòng)作，連續工作30分鐘后仍保持90%的初始力量。這項技術(shù)的突破性不僅在于運動(dòng)性能，更在于其全生命周期的工程化創(chuàng )新：

• 快速培養：通過(guò)免疫熒光染色觀(guān)察，肌肉組織僅需8天即可成熟，α-actinin與actin形成清晰條紋結構，達到最佳收縮力；

• 超長(cháng)壽命：在26 ℃環(huán)境下可持續工作178天，收縮力僅隨時(shí)間線(xiàn)性衰減，無(wú)需頻繁更換；

• 環(huán)境耐受：室溫下性能與37 ℃培養環(huán)境相當，4 ℃時(shí)仍保留50%收縮力，為戶(hù)外應用奠定基礎。

隨后，研究團隊通過(guò)系統性實(shí)驗揭示了肌肉組織培養方案與驅動(dòng)效能的科學(xué)關(guān)聯(lián)。針對"in-sheet"與"in-bundle"兩種模式進(jìn)行對比研究，"in-sheet"方案展現出顯著(zhù)優(yōu)勢。其核心在于片狀培養階段可確保每根肌肉組織在平面延展狀態(tài)下獲得均衡的營(yíng)養滲透與氧氣交換，規避三維卷曲結構中因物質(zhì)濃度梯度引發(fā)的內部組織缺氧問(wèn)題。實(shí)驗數據表明，"in-bundle"組內層肌肉收縮效率較外層下降達37%，驗證了空間約束對細胞活性的抑制作用。

圖3. MuMuTA的屬性評估。

進(jìn)一步研究發(fā)現，MuMuTA驅動(dòng)效能與肌肉組織數量存在非線(xiàn)性關(guān)系：當單驅動(dòng)器內肌束數量增至3根時(shí)，手指彎曲角度即可達到理論最大值的98%；繼續增加至8根時(shí)，彎曲角度僅提升0.6%，而驅動(dòng)響應延遲增加12%。這一閾值效應揭示出生物混合系統的設計需在結構冗余與動(dòng)態(tài)性能間建立精準平衡，為工程化應用提供了關(guān)鍵參數優(yōu)化依據。

圖4. MuMuTA驅動(dòng)生物混合機械手手指的性能評價(jià)。

圖5. MuMuTAs驅動(dòng)的生物混合機械手性能評價(jià)。

總結：本研究提出了一種基于多肌肉組織驅動(dòng)器（MuMuTA）的生物混合機械手，實(shí)現了大規模、多自由度的仿生運動(dòng)。通過(guò)優(yōu)化肌肉組織排列和電刺激參數，該系統在收縮力、運動(dòng)控制精度和耐久性方面均優(yōu)于現有方法。未來(lái)研究可進(jìn)一步提高肌肉組織的收縮效率，并探索其在可穿戴設備、康復醫療和機器人操控等領(lǐng)域的應用。

在微觀(guān)尺度實(shí)現機械系統與生物組織的精密融合，標志著(zhù)人類(lèi)在合成生物學(xué)與仿生工程領(lǐng)域取得重大突破。東京大學(xué)創(chuàng )新研究院的最新研究成果不僅革新了傳統機器人驅動(dòng)范式，更從哲學(xué)層面揭示了技術(shù)革命的本質(zhì)方向——真正的創(chuàng )新不在于超越自然法則，而在于深度解碼并復現生命系統進(jìn)化形成的精密運作機制。

截至目前，摩方已構建覆蓋全球40個(gè)國家的產(chǎn)學(xué)研網(wǎng)絡(luò )，與610余家科研機構建立合作，包括MIT、卡內基梅隆大學(xué)等國際頂尖學(xué)府。在國內，清華大學(xué)、北京大學(xué)等超過(guò)60所大學(xué)也已采購摩方設備。這些全球頂尖科研團隊應用摩方微納3D打印技術(shù)，在新能源、生物醫療、微流控、半導體等21世紀關(guān)鍵領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，累計在Science, Nature, Advanced Materials及其子刊發(fā)表多篇高水平論文。