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生物混合技術突破:日本研究用活體肌肉構建機械手指
來源:新浪科技  2018年6月5日  

正在工作的機械手指,注意上方正在收縮和舒張的肌肉正在工作的機械手指,注意上方正在收縮和舒張的肌肉

  新浪科技訊 北京時間6月5日消息,據國外媒體報道,通過讓人工骨架“長”出肌肉,日本研究人員構建了一個既非常靈活,又十分耐用的“生物混合”(biohybrid)機械手指。這項突破或許將帶來更加真實的機器人,以及更加先進的義肢。

  生物混合機器人技術是將活體的生物組織與人工機械結合的工程技術。科學家先是在實驗室中培育出心肌或骨骼肌組織,將其固定在柔韌材料上并使其收縮和舒張,從而打造出十分靈活的“賽博格”(cyborg),即機械化有機體。這些肌肉能使原本沒有活力的機械部分完成諸如抓握和行走等動作。不過,問題在于這些改造的肌肉組織往往會隨時間推移——通常是因為過度使用——而萎縮并喪失功能。

  根據近期發表于《科學-機器人學》(Science Robotics)雜志的論文,日本東京大學生產技術研究所的研究者開發出了一款像人類手指一樣靈活的機械關節,能比類似的生物混合設備工作更長時間。這種機械手指的肌肉不僅能收縮,而且還能舒張,從而延長了使用壽命。

  由Yuya Morimoto和Shoji Takeuchi領銜的研究團隊采用一小塊實驗室生長的未成熟動物肌肉細胞,將其放在幾張水凝膠薄片上,通過液體浴(這些肌肉細胞無法在液體生長介質以外存活)使它們繼續生長直至成熟。水凝膠薄片錨定在機械骨架上,而更關鍵的是將肌肉以“對抗”形式成對排列,使它們以相反的方式工作。

  “在構建好肌肉之后,我們成功地使它們在機器人中彼此對抗,也就是在一條肌肉收縮的同時,另一條肌肉舒張,就像身體中的肌肉一樣,”Takeuchi在聲明中解釋道,“它們對彼此施加相反的力量,可以防止萎縮和退化,避免出現之前研究中出現的情形。”

  當肌肉在機械骨架上固定好之后,研究人員便用電極誘導肌肉收縮,帶動關節活動。在試驗中,機械手指可以輕巧地將一個小環放在目標上;兩根機械手指還可以相互協作,提起更重的物體,比如塑料方框。這些機械手指可以正常工作一個星期以上。實驗表明新的方法十分有效,這些肌肉還可以像手指一樣彎曲成90度。

  研究人員希望加入更多的肌肉,開發出更為復雜的機器人設備。他們的最終目標是構建出其他生物混合肢體,比如整只手掌或手臂。這種方法或許還將帶來在生物學上更加精確的“人體芯片”(muscle-on-a-chip)系統,用于藥物開發和試驗。另一方面,這項技術可能會幫助生物學家在動物生理學和功能研究上有新的突破。隨著機械手指等技術的發展,或許在不遠的將來,我們就能見到各種功能強大的智能機器人行走在我們中間。(任天)


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