日本用活体肌肉构建机械臂，人类与机器融合取得新突破

夏乙 发自 凹非寺 量子位 出品 | 公众号 QbitAI

来，看一段亦可赛艇的视频。

一只其貌不扬的机械臂，颤巍巍地逐渐靠近塑料圆环，弯曲、抬起、带走它、移到旁边的圆柱上、伸直、放下它……

这有什么稀奇？

秘密就在机械臂上方两侧粉嫩嫩的部分。

那是，活生生的，肌肉！

对的，这个来自日本的机械臂采用了“生物混合(biohybrid)”设计，模拟人类手指的结构和功能，用两组大鼠肌肉来控制机械臂关节。

也许叫它“机械指”更合适。

而且，这个使用了活体肌肉的机械指，还能相互协作，提起重量更大的东西。不信你看。

上面这个混搭了活体肌肉的机械臂，出自东京大学的Yuya Morimoto、Hiroaki Onoe和Shoji Takeuchi等人。

如今登上Science Robotics最新一期封面。这足以证明其分量。有报道谈到这个研究时，称之为机器人领域的新突破。

活体机械指如何打造？

上面这个能直能弯的机械指看起来简陋，内部结构却并不简单，论文中有详细的介绍。

机械指的中心是一根“骨架”，带有一个关节，骨架顶端和中间分别有两个电极。在两对电极之间，有四个活动的锚点，上面生长着两组对抗性的活体骨骼肌，下边的两个锚点带有柔性连接带，连到关节的两侧。

肌肉受到电流刺激会收缩，也就带动着关节运动，完成了机械指的弯曲动作。

虽说用到了活体肌肉，但制造过程中并不需要磨刀霍霍向大鼠。这些肌肉是直接从机械指的骨架上“长”出来的。

为了让树脂骨架长出肌肉，科学家们在上面铺满了包裹着成肌细胞（大鼠肌肉细胞）的水凝胶片。

水凝胶片只能保障肌肉长大，却不能一直让它存活下去。所以，这个使用活体肌肉的机械指有一个非常大的局限：只能生活在水里。

这么艰难，为什么还要用活体肌肉呢？

因为机器人通常用的那些塑料、金属之类的材料，无论是运动幅度还是弹性都比肌肉差远了。

一周的寿命

活体肌肉性能好，但真正用到机器人上，就面临这个一个非常现实的问题：一条肌肉能用多久？

这项新研究的答案是：“长达”1周。

论文的作者之一Takeuchi之前就在机器人上用过活体组织，但是，寿命都非常短，用不了几次，肌肉就会收缩到无法工作。

这次，为了延长活体肌肉的寿命，他们使用了一种特殊的结构：让肌肉对抗性成对排列。

所谓“对抗性”，我们胳膊上的肱二头肌、肱三头肌之间，就是这个关系。肱二头肌收缩时，肱三头肌自然就舒张开来，反之亦然。

这种设计，除了延长肌肉的使用寿命之外，还让这个机械臂的关节旋转范围达到了90度。

下一步

这个机械指目前堪称简陋，寿命也就一周，但是在它背后，是制造机器人的一种可行新方法，几位科学家的目标也当然不止于此。

他们接下来，不仅要优化关节结构、延长这种机器人的寿命，也想继续拓展的它的能力。

作者之一、东京大学工程师Takeuchi在接受《国家地理》杂志采访时说：“如果我们能在一台设备中加入更多这样的肌肉，我们就能复制出复杂的肌肉运动，构建像手、胳膊或者人体其他部分一样的机器。”

论文

如果你对这项研究感兴趣，可以前往Science Robotics观摩。传送门：http://robotics.sciencemag.org/content/3/18/eaat4440

或者，在量子位公众号（ID：QbitAI）对话界面，回复“肌肉”两个字，即可获得论文的下载地址。

One More Thing

关于为机器人创造“肌肉”这件事，科学家们一直在努力。

例如今年初，科罗拉多大学的学者们宣布正在研发和人类肌肉一样，具有自愈能力的人造肌肉。而且造价只需10美分。

这种机器肌肉学名是：液压放大自愈式静电致动器（HASEL）。这个技术未来有望简化庞大的金属机器人，并让他们能更好的模仿人类动作。

这个人造肌肉是由植物油、水凝胶电极填充的小袋构成。通电之后，电极周围的油会产生收缩，而断电之后，机器肌肉会放松下来。

整个收缩过程在毫秒内完成，丝毫不虚人类肌肉。

这项研究，也发表在Science和Science Robotics上。传送门：

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

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

去年底，哈佛和MIT携手合作，也开发了一个强大又廉价的人造肌肉。这个看起来软趴趴的东西，能提起比自身重1000倍的物体。

原理嘛，据说是受到折纸的启发。

这项研究发表在PNAS上，感兴趣的话，可以前往观摩学习。传送门：http://www.pnas.org/content/early/2017/11/21/1713450114

就酱。