一塊人工培養(yǎng)的小鼠肌肉，經(jīng)過(guò)七天“掰手腕”式自訓(xùn)練，收縮力暴漲到7.05mN。這個(gè)數(shù)字，是同類C2C12肌肉驅(qū)動(dòng)器的最高紀(jì)錄。當(dāng)這塊肌肉被裝進(jìn)一個(gè)只有30毫米長(zhǎng)的雙尾游泳機(jī)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(zhǎng)。

這是《自然通訊》（《nature communications》）剛剛發(fā)表的一項(xiàng)研究，來(lái)自新加坡國(guó)立大學(xué)設(shè)計(jì)與工程學(xué)院機(jī)械工程系研究團(tuán)隊(duì)的工作。

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

01.

肌肉“健身房”：讓細(xì)胞學(xué)會(huì)自我較勁

生物混合機(jī)器人的核心瓶頸很簡(jiǎn)單：力氣太小。

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

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

但這個(gè)團(tuán)隊(duì)的做法有點(diǎn)不一樣。他們沒(méi)有用外部的拉伸裝置，也沒(méi)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(huì)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(cè)不到。這在傳統(tǒng)培養(yǎng)中是個(gè)麻煩，但在這個(gè)研究里，它變成了免費(fèi)的動(dòng)力源。

研究團(tuán)隊(duì)把兩條肌肉面對(duì)面固定在一個(gè)特制平臺(tái)上，中間用滑動(dòng)塊連接。一塊肌肉自發(fā)收縮時(shí)，會(huì)拉動(dòng)另一塊肌肉使其拉長(zhǎng)；另一塊收縮時(shí)，又反過(guò)來(lái)拉動(dòng)第一塊。就這樣，肌肉之間形成了一個(gè)自主的、持續(xù)的、互相對(duì)抗的訓(xùn)練循環(huán)，完全不需要外部干預(yù)。有點(diǎn)像掰手腕，但不是兩個(gè)人較勁，而是自己的左胳膊和右胳膊互搏。

自訓(xùn)練機(jī)制

經(jīng)過(guò)7天的自訓(xùn)練，這些肌肉發(fā)生了肉眼可見(jiàn)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(cè)試更是驚人。在20赫茲電刺激下，最大強(qiáng)直收縮力達(dá)到7.05mN，應(yīng)力8.51mN/mm2，原文明確指出，這個(gè)數(shù)值顯著超過(guò)了此前報(bào)道的生物混合機(jī)器人的數(shù)值。

02.

肌肉“說(shuō)明書(shū)”：把生物學(xué)算進(jìn)工程里

有了強(qiáng)壯的肌肉，下一步是把它裝進(jìn)機(jī)器人。但這不是擰螺絲那么簡(jiǎn)單。肌肉的收縮是非線性的、動(dòng)態(tài)的，受長(zhǎng)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?gòu)?qiáng)也發(fā)揮不出來(lái)。

很多生物混合機(jī)器人研究把肌肉近似成線性彈簧，簡(jiǎn)單但粗暴。這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)選擇了一條更麻煩但更精確的路，他們給這塊肌肉寫(xiě)了一本“說(shuō)明書(shū)”。建立了一個(gè)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(shuō)明書(shū)”的作用是，在設(shè)計(jì)階段，就能在電腦上預(yù)測(cè)肌肉在不同肌腱剛度、不同刺激頻率下會(huì)輸出多少機(jī)械功。

模型跑出來(lái)的結(jié)果很有意思。肌腱剛度和刺激頻率之間存在一個(gè)匹配區(qū)。太軟的尾巴，變形大但恢復(fù)力不足，無(wú)法完成有效周期；太硬的尾巴，根本甩不動(dòng)。只有在某個(gè)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(gè)模型還揭示了一個(gè)反直覺(jué)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(zhǎng)/秒

基于模型的預(yù)測(cè)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了OstraBot，一個(gè)長(zhǎng)約30毫米的雙尾游泳機(jī)器人。靈感來(lái)自箱鲀的“介形游泳”，身體保持剛硬，只用尾鰭擺動(dòng)產(chǎn)生推力。這種設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量效率高，很適合生物混合驅(qū)動(dòng)。

基于模型的生物混合 OstraBot 設(shè)計(jì)

他們把經(jīng)過(guò)7天自訓(xùn)練的肌肉安裝進(jìn)機(jī)器人，并用模型推薦的參數(shù)進(jìn)行調(diào)試。結(jié)果沒(méi)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(jī)器人雙尾開(kāi)始規(guī)律擺動(dòng)，推動(dòng)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(zhǎng)，相當(dāng)于每秒15.6倍自身長(zhǎng)度。這個(gè)數(shù)字顯著優(yōu)于先前報(bào)道的骨骼肌驅(qū)動(dòng)的生物混合機(jī)器人，是目前報(bào)道的最快運(yùn)動(dòng)速度。

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

團(tuán)隊(duì)還搭建了聲控系統(tǒng)。兩次連續(xù)拍手啟動(dòng)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(jī)器人后變得隨機(jī)且幅度極低，不會(huì)干擾外部控制。

04.

結(jié)語(yǔ)

這項(xiàng)研究的價(jià)值，不止于造出一個(gè)游得飛快的機(jī)器人。

自訓(xùn)練平臺(tái)提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展的“肌肉健身房”，利用細(xì)胞自發(fā)的收縮活動(dòng)完成機(jī)械訓(xùn)練，不需要專用設(shè)備，不依賴人工干預(yù)。這個(gè)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(jī)器人提供了一個(gè)通用的設(shè)計(jì)工具。未來(lái)，它可以擴(kuò)展到多肌肉系統(tǒng)、復(fù)雜骨骼結(jié)構(gòu)、高自由度驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)景，讓生物混合機(jī)器人的設(shè)計(jì)從試錯(cuò)走向計(jì)算。

當(dāng)肌肉不再是弱不禁風(fēng)的短板，而成為可以設(shè)計(jì)、可以計(jì)算、可以優(yōu)化的核心動(dòng)力源時(shí)，生物混合機(jī)器人這個(gè)領(lǐng)域，或許才剛剛開(kāi)始。

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