工程师们开发了一种方法，可以生长出在多个协调方向上抽动和弯曲的人造肌肉组织。这些组织可能对构建由柔软、人工生长的肌肉纤维驱动的“生物混合”机器人非常有用。
我们之所以能够移动，得益于许多骨骼肌纤维之间的协调，所有肌肉同步抽动和拉动。一些肌肉沿一个方向排列，另一些肌肉则形成复杂的图案，帮助身体的各个部分以多种方式移动。
近年来，科学家和工程师将目光投向肌肉，作为“生物混合”机器人（由柔软的人工生长肌肉纤维驱动的机器）的潜在驱动器。这类生物机器人可以在传统机器无法到达的空间中蠕动和扭动。然而，迄今为止，研究人员仅能制造出在一个方向上拉动的人造肌肉，这限制了任何机器人的运动范围。
现在，麻省理工学院的工程师已开发出一种方法，可以生长出在多个协调方向上抽动和弯曲的人造肌肉组织。作为演示，他们培养了一种由肌肉驱动的人工结构，该结构在同心和径向上都能拉动，类似于人眼虹膜在瞳孔扩张和收缩时的活动。
研究人员使用一种新开发的“印刷”方法制造了这种人造虹膜。首先，他们3D打印了一个小型手持印章，上面带有微观的凹槽，每个凹槽小到仅一个细胞。然后，他们将印章压入软质水凝胶中，并在随后的凹槽中播种真实的肌肉细胞。这些细胞在水凝胶中的这些凹槽内生长，形成纤维。当研究人员刺激这些纤维时，肌肉在多个方向上收缩，遵循纤维的方向。
“通过虹膜设计，我们相信我们展示了第一个能够在多个方向上产生力量的骨骼肌驱动机器人。这种机器人是通过这种印刷方法独特实现的，”麻省理工学院机械工程系的组织工程尤金·贝尔职业发展教授Ritu Raman说道。
团队表示，该印章可以使用桌面3D打印机进行打印，并且可以配备不同图案的微观凹槽。这个印章可以用来生长复杂的肌肉图案——以及其他类型的生物组织，如神经元和心脏细胞——这些组织看起来和表现得像它们的自然对应物。
“我们希望制造出能够复制真实组织建筑复杂性的组织，”Raman说。“要做到这一点，您真的需要在制造中具备这种精度。”
她和同事们在期刊《生物材料科学》中发表了他们的开放获取结果。她的麻省理工学院合著者包括第一作者Tamara Rossy、Laura Schwendeman、Sonika Kohli、Maheera Bawa和Pavankumar Umashankar，此外还有以色列特拉维夫大学的Roi Habba、Oren Tchaicheeyan和Ayelet Lesman。
训练空间
Raman在麻省理工学院的实验室旨在工程化生物材料，使其模拟人体内真实组织的感知、活动和反应能力。总体而言，她的团队希望在从医学到机器的各个领域应用这些生物工程材料。例如，她希望制造人工组织，让神经肌肉损伤患者恢复功能。她也在探索用于软体机器人（如以肌肉驱动的游泳者）的人工肌肉，这些机器人能够在水中像鱼一样灵活地移动。
Raman此前开发了可以视为实验室培育肌肉细胞的健身平台和锻炼程序。她和同事设计了一种水凝胶“垫”，可促进肌肉细胞生长并融合成纤维，而不会从垫子上脱落。她还得出了“锻炼”细胞的方法，通过基因工程使它们以光脉冲作出抽动反应。她的团队也想到了一些方法，使肌肉细胞在长而平行的线条中生长，类似于自然的条纹肌。然而，对于她的团队和其他人来说，设计出可以在多个可预测方向上移动的人造肌肉组织一直是一项挑战。
“天然肌肉组织的一个酷炫之处在于，它们不仅仅指向一个方向。以我们虹膜中的环状肌肉和气管周围的肌肉为例。甚至在我们的手臂和腿部，肌肉细胞也不是直着指向，而是呈角度，”Raman指出。“天然肌肉在组织中有多个方向，但我们尚未能在工程肌肉中复制这一点。”
肌肉蓝图
在思考如何生长多方向肌肉组织时，团队想到了一个惊人简单的想法：印章。受到经典果冻模具的启发，团队设计了一种印章，上面带有微观图案，可以直接压印到水凝胶中，类似于该小组之前开发的肌肉训练垫。印刷垫的图案可以作为肌肉细胞可能遵循和生长的路线图。
“这个想法很简单。但是，如何制造一个特征小到单个细胞的印章呢？而且如何在超级柔软的东西上印刷？这个水凝胶比果冻要软得多，这非常难以铸造，因为它很容易撕裂，”Raman说道。
团队尝试了印章设计的不同变体，最终找到了一种效果出奇良好的方法。研究人员使用麻省理工学院.nano的高精度打印设施制造了一个小型手持印章，使他们能够在印章的底部打印细致的凹槽图案，每个凹槽的宽度大约与一个肌肉细胞相当。随后，在压印印章之前，他们在底部涂覆了一种蛋白质，帮助印章均匀地印入水凝胶中并避免粘附或撕裂。
作为演示，研究人员打印了一个图案，类似于人眼虹膜中的微观肌肉组织。虹膜由环绕瞳孔的肌肉环组成。这个肌肉环由内层同心排列的肌肉纤维和外层径向伸展的纤维组成，像阳光的光线一样。这个复杂的结构共同作用来收缩或扩张瞳孔。
一旦Raman和她的同事将虹膜图案压入水凝胶垫，他们又用经过基因工程处理的细胞覆盖了该垫，这些细胞能够对光做出反应。在一天内，这些细胞沿着微观的凹槽沉降，并开始融合成纤维，遵循虹膜状的图案，最终生长成类似真实虹膜的完整肌肉，具有相似的结构和大小。
当团队用光脉冲刺激人造虹膜时，肌肉在多个方向上收缩，类似于人眼中的虹膜。Raman指出，团队的人造虹膜是用骨骼肌细胞制造的，这些细胞涉及自主运动，而真正的人类虹膜中的肌肉组织则是由平滑肌细胞构成，一种非自主性肌肉组织。他们选择按照虹膜样的图案排列骨骼肌细胞，以展示制造复杂的多方向肌肉组织的能力。
“在这项工作中，我们希望展示我们可以使用这种印章方法制造一个能够执行以前肌肉驱动机器人无法做到的事情的‘机器人’，”Raman说道。“我们选择与骨骼肌细胞合作。但并没有任何障碍阻止您使用任何其他类型的细胞。”
她指出，虽然团队使用了精准的打印技术，但印章设计也可以使用常规的桌面3D打印机进行制造。展望未来，她和她的同事计划将印刷方法应用于其他细胞类型，并探索不同的肌肉结构及激活人造多方向肌肉以执行有用工作的方法。
“如果我们能够使用柔软的生物机器人，而不是在水下机器人中常见的刚性驱动器，我们就可以导航并更加节能，同时完全可生物降解和可持续，”Raman说。“这就是我们希望努力建设的目标。”
这项工作部分得到了美国海军研究办公室、美国陆军研究办公室、美国国家科学基金会和美国国立卫生研究院的支持。
