游泳机器人并不一定需要笨重的电动机或强大的机械部件来在水中移动。麻省理工学院的研究人员展示了一层经过精心设计的活肌肉细胞可以产生足够的力量来推动微型机器人向前。工程师们开发了一种极薄的游泳机器人，它利用活肌肉组织来移动鳍。该设备在《先进功能材料》发表的最新研究中被描述，其柔性凝胶框架大致与一根口香糖的长度和宽度相当。凝胶形成两个鳍，每个鳍上涂覆了一层比人类头发还要薄的肌肉细胞。这些细胞经过基因改造，能够在暴露于光线时收缩。通过将光线指向任意一个鳍，研究人员可以触发肌肉收缩，使鳍拍打并推动机器人在水中前进。调整哪个鳍接收光线及其照明频率允许团队控制机器人的速度和方向。在实验中，这个极薄的机器人成功地在一个简单的水下迷宫中游泳和转向。以最大速度，它每分钟大约覆盖其体长的四倍。虽然这比一名奥运游泳运动员的速度要慢，后者可以以每分钟65个体长的速度游泳，但与悠闲地在海洋中游动的牛鲨的游泳速度相当。麻省理工学院的机械工程副教授Ritu Raman说：“在水中移动需要很大的力量，而不是在空气中。考虑到它的大小，这个机器人相当强大。” 由活肌肉驱动的新一代机器人该设备代表了第一种能够使用活肌肉组织从一个地方移动到另一个地方的非常薄的二维机器人的示范。大多数现有的生物混合机器人依赖于由实验室培养的骨骼肌制成的相对大型三维结构。制造这些结构通常需要数百万个细胞。Raman解释说，较薄的设计可以降低制造成本，同时可能提高运动效率。Raman指出：“目前，我们小组和其他小组的生物混合机器人是由笨重的、3D的实验室培养骨骼肌块制造的，这需要数百万个细胞。”他说，像团队的新机器人这样更薄、更不笨重的设计可能更便宜，并且运动效率更高。“我们相信，由活肌肉驱动的生物混合机器人有朝一日能够执行诸如探索过于脆弱或不可预测的环境等精细工作，因为活组织柔软、对其环境做出反应，并且能够自我愈合。”麻省理工学院的研究团队还包括第一作者Maheera Bawa，以及Arielle Berman、Laura Schwendeman、Ferdows Afghah和Seanbiron Johnson。 从人工肌肉到游泳机器人新的游泳机器人建立在Raman实验室的早期成就之上。去年，研究人员创造了一种受人类虹膜启发的人工肌肉圆盘，展示了薄层活细胞如何产生精确控制的运动。在该项目中，工程师将一个凝胶圆盘设计成从其中心向外延伸的沟槽，并形成同心圆。然后，他们在表面放置了活肌肉细胞，细胞沿着图案化的通道生长成一个薄层。当照明时，肌肉组织在不同的方向收缩，使圆盘伸展和压缩。其运动类似于人类眼睛的虹膜随着瞳孔扩张或缩小而改变形状的方式。实验建立了研究人员可以在复杂排列中生长极薄的肌肉层并使用光来控制它们沿多个方向的运动。“人们以前没有见过这种从头工程制造的肌肉结构，”Raman说。“而且细胞在多个方向上移动。但它们的移动仅约100微米。从机器人技术的角度来看，它们的运动微小。”在最新的项目中，研究人员希望大幅提高肌肉细胞产生的运动和力量的数量。他们的目标是产生足够强大的收缩，能够推动机器人在水中前进。他们确定，要实现这一目标，需要为活肌肉组织提供更好的基础。早期的人工虹膜使用了凝血蛋白，一种极其柔软的凝胶，作为其基础结构。然而，团队发现凝血蛋白在收缩的肌肉细胞施加的力量下会迅速收缩，限制了结果运动的有效性。为了克服这个问题，工程师们研究了凝胶基础的三个特性：其化学成分、刚度以及用于组织肌肉生长的沟槽的尺寸和几何形状。“在工程任何类型的组织时，这些都是可以调节的旋钮，”Raman说。“我们希望优化所有这些参数以支持活肌肉细胞。