這是一只實實在在的“半機械”手臂，會老化、會疲乏，鍛煉和補充營養(yǎng)能讓其“活得更久”？
站長之家(ChinaZ.com) 3月17日 消息:雖然我們很擅長讓非生物部件正常工作，但一直以來，在讓有機成分保持活性和良好狀態(tài)方面，我們卻總是力不從心。最近，日本東京大學的竹內(nèi)教授領(lǐng)導的研究團隊制造出了一個18cm長的“生物混合類（biohybrid）機械臂”，其五根手指均由實驗室培育的人類肌肉驅(qū)動 —— 這是迄今為止最 大的“人肉機械臂”。
在所有阻礙我們制造大規(guī)模生物混合機器人的障礙中，“壞死”可能是最難克服的。因此，竹內(nèi)和他的團隊必須找到解決壞死問題的方法。他們的解決方案是 “壽司卷” 法。
竹內(nèi)和他的團隊首先在培養(yǎng)皿上并排培育出薄而扁平的肌肉纖維 —— 這使得所有細胞都能獲取營養(yǎng)和氧氣，所以培育出的肌肉健壯且健康。培育完成后，便把它們卷成被稱為 MuMuTAs（多肌肉組織致動器）的管狀結(jié)構(gòu)，就像他們在制作壽司卷一樣。竹內(nèi)解釋說：“MuMuTAs 是通過培養(yǎng)薄肌肉片并將它們卷成圓柱狀束來創(chuàng)建的，這樣可以在保持氧氣擴散的同時優(yōu)化收縮力?！?/p>
通過連接在 MuMuTAs 兩端的電極傳遞電信號，就能觸發(fā)其運動。這些 “肌肉壽司卷” 可以彎曲或旋轉(zhuǎn) —— 具體動作取決于哪些纖維收縮，而它們的收縮力則是通過調(diào)節(jié)施加的電壓來控制。
在單個 MuMuTAs 能夠正常工作之后，他們便用五個 MuMuTAs 來驅(qū)動機械臂的多關(guān)節(jié)手指。
這只懸浮在液體培養(yǎng)基中的機械臂是用塑料 3D 打印而成的。這只“手臂”的每根手指都有三個關(guān)節(jié)，由連接到每一個 MuMuTA 的線纜驅(qū)動，MuMuTAs 被安裝在玻璃容器中，以限制電場的擴散，從而使每個 MuMuTA 都能單獨被驅(qū)動。它們的后端固定在塑料結(jié)構(gòu)上，前端通過線纜連接來驅(qū)動手指。
通過有選擇地收縮 MuMuTAs，這只手可以做出各種手勢，比如剪刀石頭布游戲中的手勢，或者操作像移液器這樣的物體。之所以能夠?qū)崿F(xiàn)這一切的關(guān)鍵在于，與典型的實驗室培育肌肉系統(tǒng)相比，MuMuTAs 更加強壯，每個 MuMuTA 能產(chǎn)生 8 毫牛的收縮力，這足以提起一個小回形針。最重要的是，竹內(nèi)的 “壽司卷” 創(chuàng)意延長了肌肉的壽命 —— MuMuTAs 在使用后可以展開，為細胞提供氧氣和營養(yǎng)。
不過，他們也遇到了一些“限制”。
其一，手指只能在一個方向上驅(qū)動 —— 驅(qū)動手指的肌肉會對電信號做出收縮反應(yīng)，但它們只能依靠材料的浮力恢復到原來的位置。竹內(nèi)提出，解決這個問題的一個辦法是在關(guān)節(jié)處使用彈性材料，這將使手指更快地回彈。他提到的另一個辦法是再增加五個對抗性的 MuMuTAs，以實現(xiàn)雙向運動 —— 這也是真正的人類手部所采用的解決方案。
其二，沒有液體懸浮環(huán)境，MuMuTAs 以及由它們驅(qū)動的整只手都無法工作。對此，竹內(nèi)說：“為了過渡到干燥環(huán)境，未來的發(fā)展將需要納入人工營養(yǎng)輸送系統(tǒng)和保護性支架，以維持組織在液體培養(yǎng)基外的活力?！?/p>
但在機器人中使用生物肌肉最明顯的問題或許仍未解決：在做出各種手勢并操作物體大約 10 分鐘后，這只生物混合機械手就會疲勞。
在測試肌肉對更高電壓會產(chǎn)生多大的力時，竹內(nèi)的團隊注意到 MuMuTAs 出現(xiàn)了疲勞跡象。當大力測試 MuMuTAs 時，他們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過幾次測試后，肌肉能夠產(chǎn)生的收縮力下降了。不過，當其在培養(yǎng)基中休息約一個小時后，又恢復了正常。即使工作強度遠不及在實際人體中工作的強度，這種情況還是發(fā)生了。所以，總體來說，在培養(yǎng)皿中培育的肌肉相當脆弱。
竹內(nèi)團隊在實驗室培育的肌肉中實現(xiàn)了每平方毫米 0.7 毫牛的單位面積收縮力，與其他實驗室培育的肌肉相比，這個數(shù)值還算不錯。但是，與每平方毫米約 6 毫牛力的活體肌肉相比，則顯得相當無力。竹內(nèi)認為，解決辦法可能是我們?nèi)祟愐步?jīng)常采用的方法 —— 鍛煉。
竹內(nèi)建議：“就像天然肌肉一樣，人工培育的肌肉可能會從鍛煉中受益，隨著時間的推移，反復收縮可以增強耐力和收縮力?！?不過，竹內(nèi)的團隊在論文中提出的另一個解決方案是：使用化學生長因子。簡單來說就是，我們也可以讓它們 “大補特補”。
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