麻省理工學(xué)院（MIT）研發(fā)的新型肌肉-肌腱系統(tǒng)使生物混合機(jī)器人的速度提升三倍，輸出力量增強(qiáng)30倍。

MIT工程師將生物混合機(jī)器人技術(shù)推向新紀(jì)元：通過實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的肌肉，不僅能讓機(jī)器人部件活動(dòng)，還能賦予其強(qiáng)大動(dòng)力。這項(xiàng)突破性研究重新構(gòu)想了活體組織驅(qū)動(dòng)機(jī)械的方式，MIT團(tuán)隊(duì)開發(fā)出由堅(jiān)韌柔韌的水凝膠制成的人工肌腱。這些橡皮筋般的連接器大幅提升了肌肉驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的速度、力量和耐久性。

生物混合機(jī)器人由活體肌肉組織與人造部件構(gòu)成，長(zhǎng)期受限于生物組件的力量輸出能力。但MIT的新型肌肉-肌腱系統(tǒng)通過更高效連接肌肉與骨架，改變了這一局面。數(shù)據(jù)說明了一切：搭載肌腱的抓取器比僅靠肌肉驅(qū)動(dòng)的版本速度快三倍，力量強(qiáng)30倍。

肌腱技術(shù)革新

由MIT機(jī)械工程助理教授里圖·拉曼領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出模塊化設(shè)計(jì)，通過水凝膠肌腱將實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的肌肉與機(jī)器人骨架連接。拉曼表示：“我們引入人工肌腱作為肌肉驅(qū)動(dòng)器與機(jī)器人骨架間的可互換連接器，這種模塊化設(shè)計(jì)能更便捷地應(yīng)用于多種機(jī)器人場(chǎng)景?！?/p>

肌腱采用合作研究者趙宣和實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的水凝膠制成，該材料以堅(jiān)韌、高彈性、能緊密貼合生物組織與合成材料而著稱。團(tuán)隊(duì)通過將肌肉、肌腱和抓取器骨架模擬為三個(gè)彈簧，計(jì)算出每根肌腱的理想剛度，從而精確設(shè)計(jì)水凝膠纜繩所需的強(qiáng)度與柔韌性。肌腱制造完成后，被固定于實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的肌肉條兩側(cè)，再纏繞于MIT教授馬丁·卡爾佩珀設(shè)計(jì)的機(jī)械抓手指柱上。

小塊肌肉，巨大力量

當(dāng)肌肉受刺激收縮時(shí)，水凝膠肌腱傳遞力量的效率遠(yuǎn)超單獨(dú)肌肉組織。這使得機(jī)械抓手能以超高效率完成“捏合”動(dòng)作，重復(fù)超過7,000次仍無損耗。整體而言，人工肌腱將系統(tǒng)的功率重量比提升11倍，意味著用更少肌肉實(shí)現(xiàn)更大輸出。拉曼指出：“只需一小塊智能連接骨架的驅(qū)動(dòng)肌即可?！?/p>

這些肌腱在肌肉與剛性部件間架起生物力學(xué)橋梁，既足夠柔軟適應(yīng)肌肉，又足夠堅(jiān)固聯(lián)動(dòng)機(jī)械，解決了以往設(shè)計(jì)中肌肉撕裂與脫離的難題。未參與該研究的蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程師西蒙娜·舒爾勒-芬克評(píng)價(jià)：“該方法顯著提升了力量傳遞效率、耐久性與模塊化程度。”拉曼團(tuán)隊(duì)目前正開發(fā)包括類皮膚防護(hù)外殼在內(nèi)的更多組件，推動(dòng)生物混合機(jī)器人邁向?qū)嶋H應(yīng)用。

該研究發(fā)表于《先進(jìn)科學(xué)》期刊。

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