MIT工程师开发出一款纸片般薄的游泳机器人，由单层活体肌肉细胞驱动，展示了生物混合机器如何用远少于以往设计的生物材料在水中运动。这款小型机器人利用生长在薄凝胶骨架上的光响应肌肉组织推动自身游动。研究人员通过将光引导到它的两个鳍上，演示了它能在简单的水下迷宫中游动和转向。
该机器人最快速度约为每分钟移动自身身体长度的四倍。虽然比人类游泳者慢得多，但研究人员表示，这一设计展示了一种用小而高效的活体组织构建机器人的新方式。
肌肉驱动机器人如何游动
据MIT介绍，机器人身体由约半毫米厚的明胶基薄膜构成，带有两个可弯曲的部分作为鳍。每个鳍上覆盖着一层活体骨骼肌细胞，比人类头发还细。这些细胞经过基因工程改造，可对光产生收缩反应。当研究人员将光照射到一个鳍上时，肌肉细胞抽动，使鳍拍动，推动机器人穿过周围水体。
通过将光引导到任一鳍上并调整照射时机，研究人员可以控制机器人的方向和速度。同时激活两侧，两个鳍就会一起移动。
在测试中，团队将机器人浸入一个大培养皿，并在其上方手动移动光源。机器人跟随光线，在培养皿内的迷宫中穿行。研究人员称，这是首个能够运动的超薄二维肌肉驱动机器人的演示。
不同于以往的生物混合机器人路径
这一新设计建立在MIT机械工程副教授Ritu Raman及其研究团队此前工作的基础上。在早前的实验中，团队开发了一种受人类虹膜启发的人工肌肉结构。研究人员在带有同心和径向凹槽的凝胶盘上培养肌肉细胞。当光刺激细胞时，它们向不同方向收缩，使圆盘伸展和挤压。尽管早期设计展示了可控运动，但位移仅限于约100微米。
对于这款游泳机器人，研究人员需要产生大得多的力。他们发现，支撑肌肉细胞的材料与细胞本身同样重要。
早期设计使用纤维蛋白，这是一种超软凝胶，会在收缩肌肉产生的力下变形。在新研究中，团队尝试了不同的凝胶成分、刚度水平和凹槽几何形状，以改善肌肉排列和力输出。
研究人员发现，方形底部的凹槽比弯曲凹槽更能促使细胞有效排列。更好的排列帮助细胞融合成肌纤维，从而以更协调的方式收缩。
团队还用甲基丙烯酰化明胶（GelMA）替代了纤维蛋白。这是一种常用于组织工程的材料，更硬的配方支持更好的细胞排列和更强的收缩。
一层约半毫米厚的薄膜为肌肉细胞提供了足够的结构支撑，同时保持柔韧和轻盈，足以随细胞一起运动。研究人员还采用了一种重复光刺激的训练程序，在组装机器人之前强化肌肉组织。
潜在的水下应用
传统生物混合机器人通常依赖由数百万实验室培养肌肉细胞构成的笨重三维结构。MIT团队认为，其更薄的设计可以减少所需的生物材料量，并可能提高运动效率。
活体肌肉组织最终可能帮助机器人在传统硬件难以部署的环境中执行精细任务。Raman曾提出探索脆弱或不可预测环境的应用，包括水生生态系统。
不过，当前机器人仍处于早期研究演示阶段。研究人员手动控制其光源，游泳速度也仍然有限。团队表示，下一个目标是优化机器人身体设计，使其游得更快。
这些发现展示了精心设计的材料与活体肌肉细胞如何协同作用，在极薄的机器人结构中产生运动，为更小的生物混合机器提供了潜在基础。该研究发表在期刊《Advanced Functional Materials》上。
