提到机器人，我们脑海中浮现的通常是金属、塑料材质的机器人。
据类生命系统（Cyborg and Bionic Systems）期刊报道，现在，除了金属和塑料，机器人也可以拥有活体细胞和组织！

这种机器人叫做生物混合机器人，利用哺乳动物的肌肉细胞作为执行器驱动，与最先进的人工执行器相比，天然的肌肉细胞具有很多优势，例如其高能量转换效率、无需电力或化石燃料能源供应、柔软和灵活，还能够自我修复！

（正在工作的机械手指，注意上方正在收缩和伸张的肌肉）

既然天然的肌肉细胞具有这么多优点，那该如何生产，或者说培养它们呢？

这就不得不提到一个关键技术——肌肉组织工程（TEM）。肌肉组织工程（TEM）是指利用生物活性物质，通过体外培养或构建生物细胞的方法，再造肌肉及组织的技术。

肌肉细胞中，骨骼肌细胞可以通过电刺激精确控制收缩状态和力量，是机械马达和执行器最通用的替代品。骨骼肌细胞的培养从未成熟的成肌细胞开始增值、分化、融合成肌管，成熟为肌纤维，再由大量的肌纤维组成骨骼肌细胞，这个培养过程需要1-3周的时间，还要每隔1-2天换一次培养基，这种方式不仅人工成本高，培养时间也很长。

最近，日本信州大学开发了一种TEM日常免维护培养系统，能够很好地解决骨骼肌细胞培养成本高，时间久的问题，该系统具有自动更换培养基的功能，还配备电刺激设施！

▍TEMs的开发制作
这个TEM日常免维护培养系统是通过在胶原凝胶中培养小鼠成肌细胞 C2C12 细胞制作的，由六个凝胶培养模具、一个培养基更换单元和一个电刺激单元组成。

TEMs的培养过程如下：
将细胞-凝胶混合物倒入凝胶培养模具的凹槽中，先在37°C 、5% CO2的环境中培养 1.5 小时，然后用生长培养基 (GM) 覆盖细胞-凝胶混合物，将 TEM 培养 3 天，将中间的模具取出，GM 被融合培养基 (FM) 取代，开始电刺激并持续 10 天，刺激期间每天更换FM。

TEM细胞在生长培养基中培养用于增殖，在融合培养基中培养用于分化。系统具有6个凝胶培养模具单元，每个单元可以生产两个 TEM，因此可以同时培养12 个TEM，每个凝胶培养模具都是由聚四氟乙烯（PTFE）制造的。

再来说说电刺激培养功能。系统具备自动电刺激功能，由电刺激单元对凝胶培养模具中的 TEM 施加电刺激，将 ±4 V 和 4 ms 宽度的双极脉冲应用于 TEM，以尽可能地抑制电解，双极脉冲是由数据采集 (DAQ) 设备产生的。

▍收缩力测量系统
TEM 的收缩是由场电刺激引起的，为了测量TEM的收缩力，研究人员还开发了微力测量系统，先在没有电刺激的情况下培养TEM，通过测量收缩力和收缩距离来确认 TEM 的收缩能力。然后对 TEMs 施加各种电刺激，并根据获得的收缩力探索最合适的刺激条件。

该系统由力传感器、放大器、温度控制单元、显微镜、3 轴手动平台和数据采集设备组成。
传感器的输出通过 DAQ 设备与电刺激信号同时记录到 PC；通过将已知重量的弯曲细金属线钩在传感器上，使用重力校准传感器。在测量过程中，将 TEM 放置在缓冲盐水的测量室中，温度由温控单元控制。
下图可以看出，TEM第二次电刺激的收缩力恒定在第一次刺激的 80% 左右；随着刺激的重复，收缩力逐渐从第一次的 85% 下降到 75%，这说明，尽管每一次电刺激都是短期刺激，但反复电刺激会降低 TEM 的收缩力。

除此之外，TEM的收缩力在电脉冲为1 Hz 时显着增加，而在4 Hz 时急剧下降，这说明适当施加数量的电脉冲会增强 TEM 的收缩力，而过多施加电脉冲会降低收缩力。

▍总结与展望
该研究发表在英文科技期刊Cyborg and Bionic Systems（类生命系统）中，该期刊由北京理工大学（BIT）和美国科学促进会（AAAS）/Science共同打造。

TEM肌肉能使原本没有活力的机械部分完成诸如抓握和行走等动作，从而打造出十分灵活的“赛博格”，相比传统机器人，他们对使用者和环境更加安全。
我们今天介绍的这款TEM培养系统，所生产的TEM肌肉的强度足以用于微型机器人，然而电刺激的方式会在一定程度上对TEM肌肉造成损坏，导致使用寿命不长，研究人员将会考虑使用其他刺激改善 TEM的生产，例如热刺激或机械刺激。

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