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近年來，由生命系統(tǒng)與機電系統(tǒng)在分子、細胞和組織等多尺度融合而成的類生命機器人迅速發(fā)展，并在組織工程、器官芯片和醫(yī)療等領域展現(xiàn)出應用潛力。

構建類生命機器人常用的生物材料包括心肌細胞、人工骨骼肌組織、昆蟲背血管組織、微生物等。人工骨骼肌組織因具有良好的尺寸可擴展性、可控性和潛在的高驅動力而被廣泛應用。

近日，中國科學院沈陽自動化研究所科研人員受人類骨骼肌訓練模式啟發(fā)，開發(fā)出電-力共刺激系統(tǒng)，可提升人工骨骼肌組織的驅動性能。

在人體中，骨骼肌組織從胚胎到成年，均受到神經(jīng)電刺激和機械刺激的共同訓練或維持。該團隊模仿人類骨骼肌在神經(jīng)電脈沖刺激下，克服外界負載進行收縮的自然訓練模式，同時施加電刺激和動態(tài)機械刺激，以提升人工骨骼肌組織的蛋白分化率和收縮性能，實現(xiàn)類生命機器人的快速驅動。

實驗結果表明，經(jīng)過訓練的人工骨骼肌組織蛋白分化率提升約50%，收縮力最大提升約98%，展現(xiàn)出與天然骨骼肌類似的成熟肌節(jié)機構。在低負載條件下，人工骨骼肌組織驅動部分的最大收縮應變可達18%，接近天然骨骼肌的收縮應變，表明其至少有一個維度接近天然骨骼肌性能。研究發(fā)現(xiàn)，這一人工骨骼肌組織驅動的仿毛毛蟲機器人能夠以最大2.38mm/s的速度運動，刷新了公開資料中由人工骨骼肌組織驅動的類生命機器人的速度紀錄。

相關研究成果作為封面文章發(fā)表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上。研究工作得到國家自然科學基金和國家重點研發(fā)計劃等的支持。

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封面文章

系統(tǒng)示意圖