「重磅」Sci.Robot最新封面：史上最大由人類(lèi)肌肉驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂，人機(jī)融合取得新突破

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東京大學(xué)研制18厘米機(jī)械手指：突破生物混合機(jī)器人尺寸極限

本文介紹了東京大學(xué)團(tuán)隊(duì)在生物混合機(jī)器人領(lǐng)域取得的突破性進(jìn)展：成功研制出一款18厘米長(zhǎng)的仿生機(jī)械手指，該成果已發(fā)表在《Science Robotics》期刊上。

1. 尺寸突破與創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)器

   以往的生物混合機(jī)器人由于人工培養(yǎng)肌肉的“斷糧”問(wèn)題，尺寸通常限制在1厘米左右。東京大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)發(fā)明一種名為MuMuTA的新型驅(qū)動(dòng)器，突破了這一尺寸限制。MuMuTA驅(qū)動(dòng)器的制作過(guò)程類(lèi)似于卷壽司：將8根細(xì)長(zhǎng)的人類(lèi)肌肉組織排成片狀，再卷成圓柱形，并用固定棒固定形狀。這種設(shè)計(jì)確保每根肌肉都能獲得充足的營(yíng)養(yǎng)，從而增強(qiáng)收縮力，最終實(shí)現(xiàn)18厘米的長(zhǎng)度。

2. 高效精準(zhǔn)的控制系統(tǒng)

   該仿生手采用樹(shù)脂骨骼模擬人類(lèi)手指結(jié)構(gòu)，并為每根手指配備的MuMuTA驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)電實(shí)現(xiàn)五指精準(zhǔn)控制。研究發(fā)現(xiàn)，電場(chǎng)強(qiáng)度1.5V/mm、脈沖持續(xù)時(shí)間600ms時(shí)，收縮力最大。為防止電串?dāng)_，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器兩側(cè)安裝了“玻璃墻”。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，單個(gè)手指關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)動(dòng)速度達(dá)500度/秒，三個(gè)關(guān)節(jié)總轉(zhuǎn)動(dòng)角度達(dá)130度，且連續(xù)30分鐘后仍能保持最大收縮力。

3. 高效的肌肉培養(yǎng)與長(zhǎng)壽命

   令人驚訝的是，該研究?jī)H需8天就能培養(yǎng)出具有良好收縮性能的肌肉組織。培養(yǎng)8天后的肌肉組織中，α-actinin和actin已形成清晰的條紋狀分布，表明肌肉細(xì)胞已形成成熟的收縮單元。這些肌肉組織在室溫下也能保持與37℃時(shí)相近的收縮力，并在4℃時(shí)收縮力降低一半。研究還發(fā)現(xiàn)，“in-sheet”培養(yǎng)方法（先培養(yǎng)成片狀，再卷起）優(yōu)于“in-bundle”培養(yǎng)方法（直接卷起培養(yǎng)），因?yàn)榍罢吣鼙ＷC每根肌肉組織獲得均勻的營(yíng)養(yǎng)和氧氣供應(yīng)。 這些肌肉組織的壽命長(zhǎng)達(dá)178天，如同為機(jī)器手裝上了超長(zhǎng)效的“生物電池”。

4. 精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)與未來(lái)展望

   該仿生手的機(jī)械結(jié)構(gòu)也經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，采用中空的指骨結(jié)構(gòu)和內(nèi)部導(dǎo)軌固定“人造肌腱”，提升了手指的輕巧靈活性和傳動(dòng)效率。目前，最大的挑戰(zhàn)是手指的“回彈”問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃引入彈性材料或添加“伸肌”來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。 未來(lái)，該技術(shù)有望應(yīng)用于藥物測(cè)試領(lǐng)域，并通過(guò)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的動(dòng)作，例如添加球形關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)側(cè)向，或通過(guò)生長(zhǎng)因子和物理訓(xùn)練提升肌肉組織的收縮性能。

總而言之，東京大學(xué)團(tuán)隊(duì)研制的18厘米機(jī)械手指是生物混合機(jī)器人領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破，其高效的肌肉培養(yǎng)技術(shù)、精準(zhǔn)的控制系統(tǒng)以及長(zhǎng)壽命的“生物電池”都具有重要的應(yīng)用前景，未來(lái)發(fā)展值得期待。

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