提到機(jī)器人，我們腦海中浮現(xiàn)的通常是金屬、塑料材質(zhì)的機(jī)器人。
據(jù)類生命系統(tǒng)（Cyborg and Bionic Systems）期刊報(bào)道，現(xiàn)在，除了金屬和塑料，機(jī)器人也可以擁有活體細(xì)胞和組織！

這種機(jī)器人叫做生物混合機(jī)器人，利用哺乳動(dòng)物的肌肉細(xì)胞作為執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)，與最先進(jìn)的人工執(zhí)行器相比，天然的肌肉細(xì)胞具有很多優(yōu)勢(shì)，例如其高能量轉(zhuǎn)換效率、無需電力或化石燃料能源供應(yīng)、柔軟和靈活，還能夠自我修復(fù)！

既然天然的肌肉細(xì)胞具有這么多優(yōu)點(diǎn)，那該如何生產(chǎn)，或者說培養(yǎng)它們呢？

這就不得不提到一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)——肌肉組織工程（TEM）。肌肉組織工程（TEM）是指利用生物活性物質(zhì)，通過體外培養(yǎng)或構(gòu)建生物細(xì)胞的方法，再造肌肉及組織的技術(shù)。

肌肉細(xì)胞中，骨骼肌細(xì)胞可以通過電刺激精確控制收縮狀態(tài)和力量，是機(jī)械馬達(dá)和執(zhí)行器最通用的替代品。骨骼肌細(xì)胞的培養(yǎng)從未成熟的成肌細(xì)胞開始增值、分化、融合成肌管，成熟為肌纖維，再由大量的肌纖維組成骨骼肌細(xì)胞，這個(gè)培養(yǎng)過程需要1-3周的時(shí)間，還要每隔1-2天換一次培養(yǎng)基，這種方式不僅人工成本高，培養(yǎng)時(shí)間也很長(zhǎng)。
最近，日本信州大學(xué)開發(fā)了一種TEM日常免維護(hù)培養(yǎng)系統(tǒng)，能夠很好地解決骨骼肌細(xì)胞培養(yǎng)成本高，時(shí)間久的問題，該系統(tǒng)具有自動(dòng)更換培養(yǎng)基的功能，還配備電刺激設(shè)施！
▍TEMs的開發(fā)制作
這個(gè)TEM日常免維護(hù)培養(yǎng)系統(tǒng)是通過在膠原凝膠中培養(yǎng)小鼠成肌細(xì)胞 C2C12 細(xì)胞制作的，由六個(gè)凝膠培養(yǎng)模具、一個(gè)培養(yǎng)基更換單元和一個(gè)電刺激單元組成。
TEMs的培養(yǎng)過程如下：
將細(xì)胞-凝膠混合物倒入凝膠培養(yǎng)模具的凹槽中，先在37°C 、5% CO2的環(huán)境中培養(yǎng) 1.5 小時(shí)，然后用生長(zhǎng)培養(yǎng)基 (GM) 覆蓋細(xì)胞-凝膠混合物，將 TEM 培養(yǎng) 3 天，將中間的模具取出，GM 被融合培養(yǎng)基 (FM) 取代，開始電刺激并持續(xù) 10 天，刺激期間每天更換FM。
TEM細(xì)胞在生長(zhǎng)培養(yǎng)基中培養(yǎng)用于增殖，在融合培養(yǎng)基中培養(yǎng)用于分化。系統(tǒng)具有6個(gè)凝膠培養(yǎng)模具單元，每個(gè)單元可以生產(chǎn)兩個(gè) TEM，因此可以同時(shí)培養(yǎng)12 個(gè)TEM，每個(gè)凝膠培養(yǎng)模具都是由聚四氟乙烯（PTFE）制造的。

再來說說電刺激培養(yǎng)功能。系統(tǒng)具備自動(dòng)電刺激功能，由電刺激單元對(duì)凝膠培養(yǎng)模具中的 TEM 施加電刺激，將 ±4 V 和 4 ms 寬度的雙極脈沖應(yīng)用于 TEM，以盡可能地抑制電解，雙極脈沖是由數(shù)據(jù)采集 (DAQ) 設(shè)備產(chǎn)生的。

▍收縮力測(cè)量系統(tǒng)
TEM 的收縮是由場(chǎng)電刺激引起的，為了測(cè)量TEM的收縮力，研究人員還開發(fā)了微力測(cè)量系統(tǒng)，先在沒有電刺激的情況下培養(yǎng)TEM，通過測(cè)量收縮力和收縮距離來確認(rèn) TEM 的收縮能力。然后對(duì) TEMs 施加各種電刺激，并根據(jù)獲得的收縮力探索最合適的刺激條件。
該系統(tǒng)由力傳感器、放大器、溫度控制單元、顯微鏡、3 軸手動(dòng)平臺(tái)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成。
傳感器的輸出通過 DAQ 設(shè)備與電刺激信號(hào)同時(shí)記錄到 PC；通過將已知重量的彎曲細(xì)金屬線鉤在傳感器上，使用重力校準(zhǔn)傳感器。在測(cè)量過程中，將 TEM 放置在緩沖鹽水的測(cè)量室中，溫度由溫控單元控制。
下圖可以看出，TEM第二次電刺激的收縮力恒定在第一次刺激的 80% 左右；隨著刺激的重復(fù)，收縮力逐漸從第一次的 85% 下降到 75%，這說明，盡管每一次電刺激都是短期刺激，但反復(fù)電刺激會(huì)降低 TEM 的收縮力。
除此之外，TEM的收縮力在電脈沖為1 Hz 時(shí)顯著增加，而在4 Hz 時(shí)急劇下降，這說明適當(dāng)施加數(shù)量的電脈沖會(huì)增強(qiáng) TEM 的收縮力，而過多施加電脈沖會(huì)降低收縮力。
▍總結(jié)與展望
該研究發(fā)表在英文科技期刊Cyborg and Bionic Systems（類生命系統(tǒng)）中，該期刊由北京理工大學(xué)（BIT）和美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）/Science共同打造。
TEM肌肉能使原本沒有活力的機(jī)械部分完成諸如抓握和行走等動(dòng)作，從而打造出十分靈活的“賽博格”，相比傳統(tǒng)機(jī)器人，他們對(duì)使用者和環(huán)境更加安全。
我們今天介紹的這款TEM培養(yǎng)系統(tǒng)，所生產(chǎn)的TEM肌肉的強(qiáng)度足以用于微型機(jī)器人，然而電刺激的方式會(huì)在一定程度上對(duì)TEM肌肉造成損壞，導(dǎo)致使用壽命不長(zhǎng)，研究人員將會(huì)考慮使用其他刺激改善 TEM的生產(chǎn)，例如熱刺激或機(jī)械刺激。