基于强直刺激驱动的肌肉环增强型生物混合多关节机器人研究

为解决生物混合驱动器在持续收缩力应用中的局限性，研究人员通过优化柱状支撑刚性和减少细胞外基质(ECM)提升成肌细胞密度，开发出具有高收缩力的肌肉环。结合C形锚定结构，实现了收缩力向弯曲运动的高效转化，并成功应用于夹持型和蠕动型生物混合机器人。该研究为需要持续强力肌肉收缩的复杂运动提供了新方案，发表于《SCIENCE ADVANCES》。

　　

在生物混合机器人领域，如何实现类似生物肌肉的持续强力收缩一直是重大挑战。传统肌肉环驱动器仅能产生抽搐式运动，无法满足需要长时间稳定输出的应用场景，如抓取重物或连续爬行。这一局限严重制约了生物混合机器人在医疗、救援等领域的实用化进程。

为突破这一瓶颈，研究人员开发了基于强直刺激(tetanus stimulation)的肌肉环驱动系统。通过两项关键创新——增强柱状支撑结构的刚性和减少细胞外基质(ECM)以增加成肌细胞密度，成功培育出具有高度对齐肌纤维束的致密肌肉组织。优化后的肌肉环在20Hz电刺激下产生2.6mN的收缩力，较传统方法显著提升。

研究采用多学科交叉技术：1) 使用PDMS模具培养环形肌肉组织；2) 微力传感器测量收缩力；3) 3D打印C形锚定结构实现力-运动转换；4) Arduino控制系统实现多关节协调运动。

形态与功能评估
通过调节培养模具中柱状支撑体的刚度（1-3MPa），肌肉环宽度在培养初期减少32%后趋于稳定。免疫荧光显示，高刚度支撑组肌动蛋白(F-actin)和α-辅肌动蛋白(α-actinin)表达更密集。当ECM体积从17.5μl降至4.3μl时，收缩力提升至峰值，但完全去除ECM会导致组织脆裂。

生物混合单元驱动器
新型C形锚定结构解决了传统I形锚导致的肌肉"扭结"(kinking)问题。表面涂覆MPC聚合物使锚定-肌肉界面滑动性最佳，在1.7V/mm电场下弯曲角度比纤维连接蛋白涂层组提高2倍。

多关节机器人应用
夹持型机器人由三个串联生物混合单元构成，在3.0V/mm刺激下弯曲角度达传统肌肉条的1.6倍，成功抓取直径1cm的物体。蠕动型机器人采用三对拮抗肌肉环堆栈(muscle ring stacks)，每栈4个肌肉环可产生5.9mN合力，配合屏蔽结构实现选择性刺激，10秒内前进8.8mm。

这项研究首次实现了三个重要突破：1) 通过结构优化使工程化肌肉收缩应力达4.6mN/mm²，接近胎儿骨骼肌水平；2) 模块化肌肉环设计支持快速组装复杂多关节系统；3) 强直刺激下连续工作寿命达31天。这些进展不仅推动了生物机器人发展，也为肌肉芯片(drug testing)和细胞农业(cellular agriculture)提供了新技术平台。

讨论部分指出，当前电极外置设计限制了机器人自主性，未来可通过集成光刺激系统实现无束缚控制。同时，肌肉环在收缩应变(40%)和寿命方面的优势，使其在构建体外肌肉疾病模型方面展现出独特潜力。这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究，标志着生物混合机器人从实验室演示向实际应用迈出了关键一步。