在生物工程與機器人技術的交匯點上，人類對生命本質的模仿正在改寫未來科技的邊界。自生物混合機器人概念提出以來，曾長期困于“尺寸與力量"的悖論：人工培養的肌肉組織一旦超過一定長度，內部細胞便因營養滲透不足而壞死；而微型化的肌肉束雖能存活，卻因收縮力不足難以驅動復雜結構。

近日，東京大學研究團隊成功研發出由培養肌肉組織全驅動、具備多關節靈活運動的仿生機械手，并被日本ANN NEWS報道。這項突破性成果不僅攻克了傳統生物混合機器人尺寸與力量受限的難題，更通過創新性整合摩方精密微納3D打印技術，為人工肌肉驅動系統開辟了全新路徑，標志著人類在生物機電一體化領域邁出關鍵一步。

該研究提出了一種基于多肌肉組織驅動器（MuMuTA）的生物混合機械手，實現了大規模、多自由度的仿生運動。通過優化肌肉組織排列和電刺激參數，該系統在收縮力、運動控制精度和耐久性方面均優于現有方法。實驗結果表明，該仿生手能夠執行復雜手勢和物體操作，為未來生物混合機器人的發展奠定了基礎。未來研究可進一步提高肌肉組織的收縮效率，并探索其在可穿戴設備、康復醫療和機器人操控等領域的應用。這項突破性成果以“Biohybrid hand actuated by multiple human muscle tissues"為題登上了國際期刊《Science Robotics》的最新雜志封面。

研究團隊受"壽司卷"結構啟發，成功開發出18 cm長的生物混合機械手裝置。該裝置采用創新性仿生設計：首先將8條直徑為50 μm、長度為10 cm的薄層肌肉組織平行排列，通過卷曲工藝形成圓柱形基體結構；在此基礎結構上整合五根具備多關節活動能力的仿生手指，每根手指均配置一個獨立控制的MuMuTA，實現精準的抓取動作。這種設計既保障了每根肌肉的氧氣與營養供給，又通過高取向性肌纖維（排列精度超95%）將單個驅動器收縮力提升至8 mN，收縮位移達4 mm，較傳統方案提升400%。

圖1. 由MuMuTA驅動的生物混合機械手構建方法。

圖2. 構建和培養肌肉組織的評估。

更精妙的是，團隊采用仿生線纜驅動系統，將MuMuTA的線性收縮轉化為多關節運動：每根仿生手指內部設有中空導軌與“人造肌腱"，通過精準調控電刺激參數（1.5V/mm電場強度，600ms脈沖時長），實現單指130 °彎曲、關節轉速500 °/s的類人運動。其中，團隊利用摩方精密nanoArch® S140（精度：10 μm）3D打印系統制備了多關節中空手指骨架和細胞培養錨定結構。骨架內壁的類肌腱導軌設計精度達10 μm，為細胞生長提供了精準的物理引導路徑。

實驗顯示，這只18 cm的機械臂可獨立控制五指，完成剪刀手勢、鋼琴鍵按壓等復雜動作，連續工作30分鐘后仍保持90%的初始力量。這項技術的突破性不僅在于運動性能，更在于其全生命周期的工程化創新：

• 快速培養：通過免疫熒光染色觀察，肌肉組織僅需8天即可成熟，α-actinin與actin形成清晰條紋結構，達到最佳收縮力；

• 超長壽命：在26 ℃環境下可持續工作178天，收縮力僅隨時間線性衰減，無需頻繁更換；

• 環境耐受：室溫下性能與37 ℃培養環境相當，4 ℃時仍保留50%收縮力，為戶外應用奠定基礎。

隨后，研究團隊通過系統性實驗揭示了肌肉組織培養方案與驅動效能的科學關聯。針對"in-sheet"與"in-bundle"兩種模式進行對比研究，"in-sheet"方案展現出顯著優勢。其核心在于片狀培養階段可確保每根肌肉組織在平面延展狀態下獲得均衡的營養滲透與氧氣交換，規避三維卷曲結構中因物質濃度梯度引發的內部組織缺氧問題。實驗數據表明，"in-bundle"組內層肌肉收縮效率較外層下降達37%，驗證了空間約束對細胞活性的抑制作用。

圖3. MuMuTA的屬性評估。

進一步研究發現，MuMuTA驅動效能與肌肉組織數量存在非線性關系：當單驅動器內肌束數量增至3根時，手指彎曲角度即可達到理論最大值的98%；繼續增加至8根時，彎曲角度僅提升0.6%，而驅動響應延遲增加12%。這一閾值效應揭示出生物混合系統的設計需在結構冗余與動態性能間建立精準平衡，為工程化應用提供了關鍵參數優化依據。

圖4. MuMuTA驅動生物混合機械手手指的性能評價。

圖5. MuMuTAs驅動的生物混合機械手性能評價。

總結：本研究提出了一種基于多肌肉組織驅動器（MuMuTA）的生物混合機械手，實現了大規模、多自由度的仿生運動。通過優化肌肉組織排列和電刺激參數，該系統在收縮力、運動控制精度和耐久性方面均優于現有方法。未來研究可進一步提高肌肉組織的收縮效率，并探索其在可穿戴設備、康復醫療和機器人操控等領域的應用。

在微觀尺度實現機械系統與生物組織的精密融合，標志著人類在合成生物學與仿生工程領域取得重大突破。東京大學創新研究院的最新研究成果不僅革新了傳統機器人驅動范式，更從哲學層面揭示了技術革命的本質方向——真正的創新不在于超越自然法則，而在于深度解碼并復現生命系統進化形成的精密運作機制。

截至目前，摩方已構建覆蓋全球40個國家的產學研網絡，與610余家科研機構建立合作，包括MIT、卡內基梅隆大學等國際頂尖學府。在國內，清華大學、北京大學等超過60所大學也已采購摩方設備。這些全球頂尖科研團隊應用摩方微納3D打印技術，在新能源、生物醫療、微流控、半導體等21世紀關鍵領域取得突破性進展，累計在Science, Nature, Advanced Materials及其子刊發表多篇高水平論文。