MIT研发纸薄生物混合机器人 靠活体肌肉细胞划水并响应光线转向

麻省理工学院的工程师们开发出一种薄片状游泳机器人，其动力来自活体骨骼肌细胞。这个机器人由一块约口香糖大小的柔性水凝胶薄膜和两片鳍状结构构成，肌肉细胞被覆盖在鳍片上。研究团队通过光照刺激肌肉收缩，使鳍片产生拍动动作，进而驱动机器人在水中前行。当研究人员交替照射左右两侧的鳍片时，还能实现转向，并引导它穿越培养皿中设置的水下迷宫。

该机器人使用单层肌肉细胞薄膜，整体厚度约为半毫米。研究团队以明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）制作支撑骨架，并在其表面压制出底部为方形的微细沟槽，使细胞能够沿着沟槽排列并融合成方向一致的肌纤维。研究人员指出，以往使用的纤维蛋白凝胶过于柔软，肌肉收缩时容易产生褶皱；而更坚挺的GelMA配合方形沟槽，能更有效地支撑细胞，帮助肌肉协同发力。每片鳍大约长15毫米、宽7毫米、厚0.5毫米。

机器人所用的骨骼肌细胞经过基因改造，能够对光线产生反应。研究团队首先以每秒两次的光脉冲刺激细胞，每天训练15分钟；与未接受训练的对照组相比，训练后的鳍片位移增加了约四倍。论文报告显示，这种二维肌肉薄膜能够产生毫牛顿级的力量和毫米级的行程；其单位组织体积的收缩力密度约为三维肌肉的20倍，未固定状态下的持续工作能力也从不足10分钟提升到超过30天。

在最佳测试条件下，机器人直线游动速度约为每分钟4个自身长度，转动速度最高可达每分钟1200度。它仍需研究人员在培养皿外手持光源照射来进行控制，目前没有机载电子设备或自主导航能力；因此，“无固定”是指机器人本体无需连接外部支架，并不意味着它能脱离外部光控独立运行。研究人员也承认，当前结构简单、游速较慢，距离在开放水域中应用还有很大差距。

该研究团队由MIT机械工程副教授莉图·拉曼领导，第一作者为研究生玛希拉·巴瓦。成果发表在《先进功能材料》上，题为《二维骨骼肌薄膜致动器提升生物混合机器人的效率》。团队认为，薄型设计可能比需要大量细胞的三维肌肉块更节省细胞、制造成本更低，也有望提高运动效率；未来或可用于环境监测，或在脆弱、难以预测的环境中执行精细探测任务。不过，目前研究只使用了一种细胞系、单向排列的肌纤维和简单骨架结构，团队下一步计划优化机身和鳍片设计，提升游速并探索其他运动方式。