我們的肌肉是大自然的執行器。正是這些筋腱相連的組織產生力量，讓身體得以運動。近些年，工程師們開始將真實的肌肉組織用于驅動由活體組織與合成部件共同構成的“生物混合機器人”（biohybrid robots）。通過將實驗室培養的肌肉與人工骨架配對，研究人員已經造出了一系列由肌肉驅動的爬行器、步行器、游動器以及抓取裝置。

不過，大多數這類設計受限于運動幅度和輸出力量。如今，MIT 工程師希望借助人工肌腱，為這些“生物混合機器人”做一次性能升級。

在近期發表于 Advanced Science 的一項研究中，研究人員開發了由堅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驗室培養的肌肉組織兩端，構建出一個“肌肉–肌腱單元”。接著，他們把人工肌腱的末端連接到機械手的手指上。

當中間的肌肉被刺激收縮時，肌腱就會拉動機械手的指尖合攏。有了人工肌腱的連接，這個機器人捏合手指的速度是無肌腱設計的三倍，力量則提升了三十倍。

研究團隊設想，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器人設計中。

“我們引入人工肌腱，作為肌肉驅動器和機器人骨架之間的通用連接件。”論文第一作者、MIT 機械工程助理教授 Ritu Raman 說，“這種模塊化方式可能會讓我們更容易設計出從微尺度手術工具到自適應、自動化的探索機器等各種機器人應用。”

圖 | 生物混合型肌腱單元（來源：上述論文）

論文作者來自 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 級本科、2021 碩士、2024 博士）與 Laura Rosado（2022 本科、2025 碩士）；以及機械工程系教授 Martin Culpepper 和 Xuanhe Zhao。

肌肉增長

Raman 與她在 MIT 的同事們是生物混合機器人領域的前沿探索者，這是近十年來興起的新方向。研究核心是將合成結構的機器人零件與作為天然驅動器的活體肌肉組織結合在一起。

“工程師常用的執行器很難做得足夠小。”Raman 說，“一旦尺寸下降到某個臨界，小型執行器的基礎物理原理就不再成立。而肌肉的優點在于，每個細胞本身就是一個能夠產生力量、完成運動的獨立驅動器。因此，從原理上說，你能制造非常微小的機器人。”

肌肉驅動器還有其他優勢，Raman 團隊已有相關證明：肌肉組織在訓練后可以變得更強壯，受損后也能自然愈合。因此，研究者認為，肌肉驅動的機器人未來或許可以被送往人類難以抵達或危險的環境執行任務。它們可以在需要時鍛煉以增強力量，或在無法獲得維修的情況下自行恢復。此外，生物混合機器人也可用作體內微尺度手術的助手機器人。

正是這些未來前景，推動 Raman 及其同行探索如何將活體肌肉與合成骨架高效結合。迄今的設計通常是培養一條肌肉帶，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柱子上。當肌肉收縮時，它會拉動骨架部件實現預期動作。

但 Raman 指出，這種方式浪費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，這種力學不匹配容易導致撕裂或脫落。更關鍵的是，往往只有肌肉中部的那小段收縮真正產生了有效的力——既少，又弱。

“我們在想：如何減少肌肉浪費，讓它更像一個模塊，能接到任何結構上，同時提升效率？”她說，“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，能彌合二者的力學差異，就像繞過關節的細纜繩一樣高效。”

聰明地連接

在這項研究中，團隊設計了人工肌腱來連接天然肌肉組織與機械手骨架。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 的團隊在 MIT 一直致力于開發多種伸展性可調、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具備怎樣的強度與彈性以適配機械手設計，團隊先用“彈簧模型”模擬整個結構：中央肌肉、一對肌腱及骨架分別對應不同剛度的彈簧。他們利用已知的肌肉與骨架剛度，計算出要實現指定運動所需的肌腱剛度。

依此模型，團隊配制出具有目標剛度的水凝膠，并將其蝕刻為細纜狀的人工肌腱。他們采用標準技術培養肌肉組織，并將人工肌腱連接在肌肉兩端，再將每根肌腱繞到機械手指尖的小柱上，機械手設計由精密機械專家 Culpepper 教授團隊完成。

當肌肉被刺激收縮時，肌腱會隨之拉近機械手的指尖。實驗結果顯示，相比僅依靠肌肉帶驅動的設計，加入肌腱后，機械手捏合動作快三倍、力量大三十倍。此外，這一肌腱設計還可持續運行 7,000 個收縮循環而不降性能。