近日，东京大学研究团队成功研发出全球首款由培养肌肉组织全驱动、具备多关节灵活运动的仿生机械手，并被日本ANN NEWS报道。这项突破性成果不仅攻克了传统生物混合机器人尺寸与力量受限的难题，更通过创新性整合摩方精密微纳3D打印技术，为人工肌肉驱动系统开辟了全新路径，标志着人类在生物机电一体化领域迈出关键一步。
该研究提出了一种基于多肌肉组织驱动器（MuMuTA）的生物混合机械手，实现了大规模、多自由度的仿生运动。通过优化肌肉组织排列和电刺激参数，该系统在收缩力、运动控制精度和耐久性方面均优于现有方法。实验结果表明，该仿生手能够执行复杂手势和物体操作，为未来生物混合机器人的发展奠定了基础。未来研究可进一步提高肌肉组织的收缩效率，并探索其在可穿戴设备、康复医疗和机器人操控等领域的应用。这项突破性成果以“Biohybrid hand actuated by multiple human muscle tissues”为题登上了国际知名期刊《Science Robotics》的最新杂志封面。
研究团队受"寿司卷"结构启发，成功开发出18 cm长的生物混合机械手装置。该装置采用创新性仿生设计：首先将8条直径为50 μm、长度为10 cm的薄层肌肉组织平行排列，通过卷曲工艺形成圆柱形基体结构；在此基础结构上整合五根具备多关节活动能力的仿生手指，每根手指均配置一个独立控制的MuMuTA，实现精准的抓取动作。这种设计既保障了每根肌肉的氧气与营养供给，又通过高取向性肌纤维（排列精度超95%）将单个驱动器收缩力提升至8 mN，收缩位移达4 mm，较传统方案提升400%。
图1. 由MuMuTA驱动的生物混合机械手构建方法
图2. 构建和培养肌肉组织的评估
更精妙的是，团队采用仿生线缆驱动系统，将MuMuTA的线性收缩转化为多关节运动：每根仿生手指内部设有中空导轨与“人造肌腱”，通过精准调控电刺激参数（1.5V/mm电场强度，600ms脉冲时长），实现单指130 °弯曲、关节转速500 °/s的类人运动。其中，团队利用摩方精密nanoArch® S140（精度：10 μm）3D打印系统制备了多关节中空手指骨架和细胞培养锚定结构。骨架内壁的类肌腱导轨设计精度达10 μm，为细胞生长提供了精准的物理引导路径。
实验显示，这只18 cm的机械臂可独立控制五指，完成剪刀手势、钢琴键按压等复杂动作，连续工作30分钟后仍保持90%的初始力量。这项技术的突破性不仅在于运动性能，更在于其全生命周期的工程化创新：
快速培养：通过免疫荧光染色观察，肌肉组织仅需8天即可成熟，α-actinin与actin形成清晰条纹结构，达到最佳收缩力；
超长寿命：在26 ℃环境下可持续工作178天，收缩力仅随时间线性衰减，无需频繁更换；
环境耐受：室温下性能与37 ℃培养环境相当，4 ℃时仍保留50%收缩力，为户外应用奠定基础。
随后，研究团队通过系统性实验揭示了肌肉组织培养方案与驱动效能的科学关联。针对"in-sheet"与"in-bundle"两种模式进行对比研究，"in-sheet"方案展现出显著优势。其核心在于片状培养阶段可确保每根肌肉组织在平面延展状态下获得均衡的营养渗透与氧气交换，最大程度规避三维卷曲结构中因物质浓度梯度引发的内部组织缺氧问题。实验数据表明，"in-bundle"组内层肌肉收缩效率较外层下降达37%，验证了空间约束对细胞活性的抑制作用。
图3. MuMuTA的属性评估
进一步研究发现，MuMuTA驱动效能与肌肉组织数量存在非线性关系：当单驱动器内肌束数量增至3根时，手指弯曲角度即可达到理论最大值的98%；继续增加至8根时，弯曲角度仅提升0.6%，而驱动响应延迟增加12%。这一阈值效应揭示出生物混合系统的设计需在结构冗余与动态性能间建立精准平衡，为工程化应用提供了关键参数优化依据。
总结：本研究提出了一种基于多肌肉组织驱动器（MuMuTA）的生物混合机械手，实现了大规模、多自由度的仿生运动。通过优化肌肉组织排列和电刺激参数，该系统在收缩力、运动控制精度和耐久性方面均优于现有方法。未来研究可进一步提高肌肉组织的收缩效率，并探索其在可穿戴设备、康复医疗和机器人操控等领域的应用。
原文链接：https://doi.org/10.1126/scirobotics.adr5512
