一塊人工培養(yǎng)的小鼠肌肉，經(jīng)過七天“掰手腕”式自訓(xùn)練，收縮力暴漲到7.05mN。這個數(shù)字，是同類C2C12肌肉驅(qū)動器的最高紀(jì)錄。當(dāng)這塊肌肉被裝進(jìn)一個只有30毫米長的雙尾游泳機器人身體里，它游出了467毫米/分鐘的速度，相當(dāng)于每秒15.6倍體長。

這是《自然通訊》（《nature communications》）剛剛發(fā)表的一項研究，來自新加坡國立大學(xué)設(shè)計與工程學(xué)院機械工程系研究團(tuán)隊的工作。

他們不是簡單地把肌肉當(dāng)作生物電池塞進(jìn)機器人，而是從頭設(shè)計了一套讓肌肉自己變強的訓(xùn)練系統(tǒng)，再用數(shù)學(xué)模型精確指導(dǎo)機器人的每一個設(shè)計參數(shù)，最終造出了目前骨骼肌驅(qū)動生物混合機器人中游得最快的一個。

01.

肌肉“健身房”：讓細(xì)胞學(xué)會自我較勁

生物混合機器人的核心瓶頸很簡單：力氣太小。

過去用C2C12小鼠成肌細(xì)胞造的人工肌肉，主動力通常不到1毫牛。推推微小的結(jié)構(gòu)還行，想驅(qū)動機器人快速移動，基本是奢望。

那怎么讓肌肉變強？和人類健身一個道理，練它。機械刺激能促進(jìn)肌管排列和功能成熟，這是學(xué)界共識。

但這個團(tuán)隊的做法有點不一樣。他們沒有用外部的拉伸裝置，也沒有施加周期性的電刺激，而是讓兩塊肌肉互相訓(xùn)練。

他們觀察到，C2C12肌肉組織在分化早期（第3到7天）會自發(fā)地、不受控制地收縮，7天后，自發(fā)收縮逐漸減弱，到第14天幾乎檢測不到。這在傳統(tǒng)培養(yǎng)中是個麻煩，但在這個研究里，它變成了免費的動力源。

研究團(tuán)隊把兩條肌肉面對面固定在一個特制平臺上，中間用滑動塊連接。一塊肌肉自發(fā)收縮時，會拉動另一塊肌肉使其拉長；另一塊收縮時，又反過來拉動第一塊。就這樣，肌肉之間形成了一個自主的、持續(xù)的、互相對抗的訓(xùn)練循環(huán)，完全不需要外部干預(yù)。有點像掰手腕，但不是兩個人較勁，而是自己的左胳膊和右胳膊互搏。

自訓(xùn)練機制

經(jīng)過7天的自訓(xùn)練，這些肌肉發(fā)生了肉眼可見的變化。肌管排列更整齊、纖維更粗壯，甚至出現(xiàn)了清晰的肌節(jié)橫紋，這是肌肉高度成熟的標(biāo)志。

功能測試更是驚人。在20赫茲電刺激下，最大強直收縮力達(dá)到7.05mN，應(yīng)力8.51mN/mm2，原文明確指出，這個數(shù)值顯著超過了此前報道的生物混合機器人的數(shù)值。

02.

肌肉“說明書”：把生物學(xué)算進(jìn)工程里

有了強壯的肌肉，下一步是把它裝進(jìn)機器人。但這不是擰螺絲那么簡單。肌肉的收縮是非線性的、動態(tài)的，受長度、速度、激活水平多重因素影響。如果隨便配一根尾巴，很可能肌肉再強也發(fā)揮不出來。

很多生物混合機器人研究把肌肉近似成線性彈簧，簡單但粗暴。這個研究團(tuán)隊選擇了一條更麻煩但更精確的路，他們給這塊肌肉寫了一本“說明書”。建立了一個基于生理學(xué)的收縮模型，模擬了從電刺激輸入到力輸出的完整鏈條。

這本“說明書”的作用是，在設(shè)計階段，就能在電腦上預(yù)測肌肉在不同肌腱剛度、不同刺激頻率下會輸出多少機械功。

模型跑出來的結(jié)果很有意思。肌腱剛度和刺激頻率之間存在一個匹配區(qū)。太軟的尾巴，變形大但恢復(fù)力不足，無法完成有效周期；太硬的尾巴，根本甩不動。只有在某個中間剛度范圍內(nèi)，配合恰當(dāng)?shù)拇碳ゎl率，肌肉的每一次收縮才能輸出最大的功。

這個模型還揭示了一個反直覺的現(xiàn)象，較軟的肌腱適合較低的刺激頻率，較硬的肌腱則需要更高的頻率才能發(fā)揮最佳性能。

03.

速度之王：能游15.6倍體長/秒

基于模型的預(yù)測，團(tuán)隊設(shè)計了OstraBot，一個長約30毫米的雙尾游泳機器人。靈感來自箱鲀的“介形游泳”，身體保持剛硬，只用尾鰭擺動產(chǎn)生推力。這種設(shè)計機械結(jié)構(gòu)簡單、能量效率高，很適合生物混合驅(qū)動。

基于模型的生物混合 OstraBot 設(shè)計

他們把經(jīng)過7天自訓(xùn)練的肌肉安裝進(jìn)機器人，并用模型推薦的參數(shù)進(jìn)行調(diào)試。結(jié)果沒有讓人失望。

不同肌腱剛度和刺激頻率下 OstraBot 的游泳性能

在3赫茲電刺激下，OstraBot機器人雙尾開始規(guī)律擺動，推動它在水中快速前進(jìn)。最高速度達(dá)到467毫米/分鐘，換算成體長，相當(dāng)于每秒15.6倍自身長度。這個數(shù)字顯著優(yōu)于先前報道的骨骼肌驅(qū)動的生物混合機器人，是目前報道的最快運動速度。

速度之外，OstraBot的可控性同樣出色。通過調(diào)節(jié)電場強度，可以精細(xì)控制游泳速度。強度太低推力不足，太高則因過度刺激導(dǎo)致性能下降，存在一個最佳區(qū)間。

團(tuán)隊還搭建了聲控系統(tǒng)。兩次連續(xù)拍手啟動游泳，一次拍手立即停止，響應(yīng)非常干凈。值得注意的是，肌肉在早期發(fā)育階段的自發(fā)收縮，整合到機器人后變得隨機且幅度極低，不會干擾外部控制。

04.

結(jié)語

這項研究的價值，不止于造出一個游得飛快的機器人。

自訓(xùn)練平臺提供了一個簡單、可擴展的“肌肉健身房”，利用細(xì)胞自發(fā)的收縮活動完成機械訓(xùn)練，不需要專用設(shè)備，不依賴人工干預(yù)。這個方法可以輕松應(yīng)用于原始骨骼肌組織，從而獲得更大的力輸出。

基于生理學(xué)的收縮模型則為生物混合機器人提供了一個通用的設(shè)計工具。未來，它可以擴展到多肌肉系統(tǒng)、復(fù)雜骨骼結(jié)構(gòu)、高自由度驅(qū)動的場景，讓生物混合機器人的設(shè)計從試錯走向計算。

當(dāng)肌肉不再是弱不禁風(fēng)的短板，而成為可以設(shè)計、可以計算、可以優(yōu)化的核心動力源時，生物混合機器人這個領(lǐng)域，或許才剛剛開始。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-70259-9