3D打印制作載有成肌細胞的水凝膠片

供稿人：馮俊男 高琳 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

心肌組織和骨骼肌組織是類生命機器人中廣泛使用的生命材料。其中骨骼肌組織收縮的可控性更高，因此可以實現(xiàn)更加精準的驅(qū)動，但是骨骼肌的彈性特性引起的縮減力（shrinking force）會導致組織長度不斷減小，因此骨骼肌組織的壽命較短。本文使用3D打印制作了載有成肌細胞的水凝膠片，介紹了一種由一對拮抗的骨骼肌組織驅(qū)動的類生命機器人。該機器人可以實現(xiàn)大驅(qū)動力以完成拾取-放置的動作，同時相較于傳統(tǒng)的骨骼肌驅(qū)動的機器人，其壽命更長，達到了一周。

該研究的重點在于拮抗骨骼肌組織的配置和制造方法。首先準備載有成肌細胞的水凝膠片，其制備過程如下：使用3D打印制作相應(yīng)的樹脂模具，向其中注入PDMS彈性體以制成PDMS印章，在PDMS印章和硅橡膠片中夾入成肌細胞和水凝膠溶液，經(jīng)培養(yǎng)后釋放PDMS印章，最終得到具有孔和條狀結(jié)構(gòu)的載有成肌細胞的水凝膠片。將數(shù)片水凝膠片通過孔堆疊并固定至機器人的骨骼（機器人骨骼主體部分通過3D打印制造），兩組水凝膠片對稱放置。通過培養(yǎng)，每一組水凝膠片上的條狀結(jié)構(gòu)會融合成一個結(jié)構(gòu)，最終形成一對拮抗的骨骼肌組織。通過單獨刺激兩塊骨骼肌的收縮和舒張，該機器人可以驅(qū)動其尾部的關(guān)節(jié)完成約90°的雙向轉(zhuǎn)動。通過形態(tài)和功能分析，本文證明了水凝膠片上的條狀結(jié)構(gòu)促進了單位橫截面積上的收縮力（contractile force），同時也證明了一對拮抗骨骼肌的配置可以平衡每一塊骨骼肌中的縮減力，進而維持了組織的長度和收縮力，因此獲得了更久的壽命。本文的研究成果有助于突破傳統(tǒng)類生命機器人在設(shè)計上的限制，文中提出的制備骨骼肌組織的方法使得可以通過操作水凝膠片在任意位置構(gòu)建骨骼肌，以模仿生物體的結(jié)構(gòu)，提高了使用骨骼肌組織驅(qū)動模仿多種類生物動作的潛能。

圖1 一對拮抗骨骼肌組織驅(qū)動的類生命機器人的結(jié)構(gòu)

圖2 該機器人執(zhí)行的拾取-放置動作

參考文獻：
Morimoto Y, Onoe H, Takeuchi S. Biohybrid Robot Powered by an Antagonistic Pair of Skeletal Muscle Tissues[J]. Science Robotics, 2018, 3(18).