“生物肌肉”有望助推微创手术

通过器械进入人体完成微创外科手术是外科手术史上的里程碑。但要想更好地模拟外科医生的双手，手术器械需要更加柔软和灵活。现有的柔性机器人虽然可在一定程度上模拟人类的肢体，但远远无法媲美生物肌肉的复杂功能。如何仿制生物肌肉的功能，一直是科学家追求的目标。最近，哈佛大学韦斯生物启发工程研究所利用活的心肌细胞制作出一条人造（鱼工）鱼，推动了人造生物肌肉的仿生进程，其成果登上了《科学》杂志封面。

不同于既往靠机械驱动的机器鱼，人造（鱼工）鱼“鱼鳍”的运动是由真正的肌肉细胞所产生，更接近于生物肌肉的状态。研究人员利用硅胶制作柔性“鱼身”，黄金构建储能“骨架”，并在“鱼鳍”上按一定方式排列可自发跳动的老鼠心肌细胞作为驱动。这些心肌细胞经过光敏感基因的特殊修饰，能对特定波长的蓝光刺激作出响应并收缩，从而控制这条（鱼工）鱼柔软地上下摆动“鱼鳍”向前游动。此外，通过改变外在光的频率来加速或减缓肌细胞的收缩率，造成两边摆动的速率差异，还可实现左右转弯的功能。

自然界的生物经过几十亿年的进化，拥有迄今任何人工机械都无法比拟的、极其精细且有序的结构和复杂的功能。科学家一直尝试从自然生物机能中探究它们古老的进化过程，将其转化为可为人类服务的现代科技。此前，科学家从章鱼和海星等动物身上获取灵感制作的柔性机器人可以在一定程度上模拟人体肢体运动，但大部分采用电活性聚合物、记忆合金或液压等方式进行驱动，不能高效率、高精度地模拟复杂生物肌肉运动。

近年来，随着生物学与工程学的不断发展融合，通过将活体细胞、生物传感及生物驱动的方法置入机器人的设计中，高度仿真的“生物肌肉”已几近实现。这条人造（鱼工）鱼的研制，成功将生物工程融入机械设计，并实现了智能控制，具有重大意义。近期哈佛大学的另一项成果是利用碳纳米管作为电极，在电刺激的驱动下，多层排列肌肉细胞组成的肌束，能进行有规律的收缩运动，同样达到模拟生物肌肉的效果。

目前微创外科中使用的各种腔镜器械，哪怕是最先进的达·芬奇手术机器人，其进行手术操作的器件也是通过人工或机械控制，灵活程度远远不及外科医生的双手。如能将人造生物肌肉融入器械设计中，并通过外界的指令，精确做出反馈动作，医生便可借此完成更加精密复杂的手术。今年，伦敦大学的机器人专家、工程师及外科医生组成的研究团队首次利用“柔性”手术机器人在人体内进行微创手术操作实验，其机器人操作臂模拟章鱼柔软的触须，可以在手术区域中灵活穿过狭小的间隙，同时避开一些重要血管或器官，完成复杂的手术操作。未来，随着生物肌肉技术的进一步成熟，手术操作的效率、准确度及可控性将进一步提升，给人类带来更大的福祉。（朱铠）