日本用活體肌肉構建機械臂，人類與機器融合取得新突破

來自專欄量子位

夏乙 發自 凹非寺

量子位 出品 | 公眾號 QbitAI

來，看一段亦可賽艇的視頻。

一隻其貌不揚的機械臂，顫巍巍地逐漸靠近塑料圓環，彎曲、抬起、帶走它、移到旁邊的圓柱上、伸直、放下它……

這有什麼稀奇？

秘密就在機械臂上方兩側粉嫩嫩的部分。

那是，活生生的，肌肉！

對的，這個來自日本的機械臂採用了「生物混合(biohybrid)」設計，模擬人類手指的結構和功能，用兩組大鼠肌肉來控制機械臂關節。

也許叫它「機械指」更合適。

而且，這個使用了活體肌肉的機械指，還能相互協作，提起重量更大的東西。不信你看。

上面這個混搭了活體肌肉的機械臂，出自東京大學的Yuya Morimoto、Hiroaki Onoe和Shoji Takeuchi等人。

如今登上Science Robotics最新一期封面。這足以證明其分量。有報道談到這個研究時，稱之為機器人領域的新突破。

活體機械指如何打造？

上面這個能直能彎的機械指看起來簡陋，內部結構卻並不簡單，論文中有詳細的介紹。

機械指的中心是一根「骨架」，帶有一個關節，骨架頂端和中間分別有兩個電極。在兩對電極之間，有四個活動的錨點，上面生長著兩組對抗性的活體骨骼肌，下邊的兩個錨點帶有柔性連接帶，連到關節的兩側。

肌肉受到電流刺激會收縮，也就帶動著關節運動，完成了機械指的彎曲動作。

雖說用到了活體肌肉，但製造過程中並不需要磨刀霍霍向大鼠。這些肌肉是直接從機械指的骨架上「長」出來的。

為了讓樹脂骨架長出肌肉，科學家們在上面鋪滿了包裹著成肌細胞（大鼠肌肉細胞）的水凝膠片。

水凝膠片只能保障肌肉長大，卻不能一直讓它存活下去。所以，這個使用活體肌肉的機械指有一個非常大的局限：只能生活在水裡。

這麼艱難，為什麼還要用活體肌肉呢？

因為機器人通常用的那些塑料、金屬之類的材料，無論是運動幅度還是彈性都比肌肉差遠了。

一周的壽命

活體肌肉性能好，但真正用到機器人上，就面臨這個一個非常現實的問題：一條肌肉能用多久？

這項新研究的答案是：「長達」1周。

論文的作者之一Takeuchi之前就在機器人上用過活體組織，但是，壽命都非常短，用不了幾次，肌肉就會收縮到無法工作。

這次，為了延長活體肌肉的壽命，他們使用了一種特殊的結構：讓肌肉對抗性成對排列。

所謂「對抗性」，我們胳膊上的肱二頭肌、肱三頭肌之間，就是這個關係。肱二頭肌收縮時，肱三頭肌自然就舒張開來，反之亦然。

這種設計，除了延長肌肉的使用壽命之外，還讓這個機械臂的關節旋轉範圍達到了90度。

下一步

這個機械指目前堪稱簡陋，壽命也就一周，但是在它背後，是製造機器人的一種可行新方法，幾位科學家的目標也當然不止於此。

他們接下來，不僅要優化關節結構、延長這種機器人的壽命，也想繼續拓展的它的能力。

作者之一、東京大學工程師Takeuchi在接受《國家地理》雜誌採訪時說：「如果我們能在一台設備中加入更多這樣的肌肉，我們就能複製出複雜的肌肉運動，構建像手、胳膊或者人體其他部分一樣的機器。」

論文

如果你對這項研究感興趣，可以前往Science Robotics觀摩。傳送門：http://robotics.sciencemag.org/content/3/18/eaat4440

或者，在量子位公眾號（ID：QbitAI）對話界面，回復「肌肉」兩個字，即可獲得論文的下載地址。

One More Thing

關於為機器人創造「肌肉」這件事，科學家們一直在努力。

例如今年初，科羅拉多大學的學者們宣布正在研發和人類肌肉一樣，具有自愈能力的人造肌肉。而且造價只需10美分。

這種機器肌肉學名是：液壓放大自愈式靜電致動器（HASEL）。這個技術未來有望簡化龐大的金屬機器人，並讓他們能更好的模仿人類動作。

這個人造肌肉是由植物油、水凝膠電極填充的小袋構成。通電之後，電極周圍的油會產生收縮，而斷電之後，機器肌肉會放鬆下來。

整個收縮過程在毫秒內完成，絲毫不虛人類肌肉。

這項研究，也發表在Science和Science Robotics上。傳送門：

http://science.sciencemag.org/content/359/6371/61

http://robotics.sciencemag.org/content/3/14/eaar3276

去年底，哈佛和MIT攜手合作，也開發了一個強大又廉價的人造肌肉。這個看起來軟趴趴的東西，能提起比自身重1000倍的物體。

原理嘛，據說是受到摺紙的啟發。

這項研究發表在PNAS上，感興趣的話，可以前往觀摩學習。傳送門：http://www.pnas.org/content/early/2017/11/21/1713450114

就醬。

— 完 —

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