“生物肌肉”有望助推微創(chuàng)手術(shù)

通過(guò)器械進(jìn)入人體完成微創(chuàng)外科手術(shù)是外科手術(shù)史上的里程碑。但要想更好地模擬外科醫(yī)生的雙手，手術(shù)器械需要更加柔軟和靈活�，F(xiàn)有的柔性機(jī)器人雖然可在一定程度上模擬人類的肢體，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法媲美生物肌肉的復(fù)雜功能。如何仿制生物肌肉的功能，一直是科學(xué)家追求的目標(biāo)。最近，哈佛大學(xué)韋斯生物啟發(fā)工程研究所利用活的心肌細(xì)胞制作出一條人造（魚工）魚，推動(dòng)了人造生物肌肉的仿生進(jìn)程，其成果登上了《科學(xué)》雜志封面。

不同于既往靠機(jī)械驅(qū)動(dòng)的機(jī)器魚，人造（魚工）魚“魚鰭”的運(yùn)動(dòng)是由真正的肌肉細(xì)胞所產(chǎn)生，更接近于生物肌肉的狀態(tài)。研究人員利用硅膠制作柔性“魚身”，黃金構(gòu)建儲(chǔ)能“骨架”，并在“魚鰭”上按一定方式排列可自發(fā)跳動(dòng)的老鼠心肌細(xì)胞作為驅(qū)動(dòng)。這些心肌細(xì)胞經(jīng)過(guò)光敏感基因的特殊修飾，能對(duì)特定波長(zhǎng)的藍(lán)光刺激作出響應(yīng)并收縮，從而控制這條（魚工）魚柔軟地上下擺動(dòng)“魚鰭”向前游動(dòng)。此外，通過(guò)改變外在光的頻率來(lái)加速或減緩肌細(xì)胞的收縮率，造成兩邊擺動(dòng)的速率差異，還可實(shí)現(xiàn)左右轉(zhuǎn)彎的功能。

自然界的生物經(jīng)過(guò)幾十億年的進(jìn)化，擁有迄今任何人工機(jī)械都無(wú)法比擬的、極其精細(xì)且有序的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的功能�？茖W(xué)家一直嘗試從自然生物機(jī)能中探究它們古老的進(jìn)化過(guò)程，將其轉(zhuǎn)化為可為人類服務(wù)的現(xiàn)代科技。此前，科學(xué)家從章魚和海星等動(dòng)物身上獲取靈感制作的柔性機(jī)器人可以在一定程度上模擬人體肢體運(yùn)動(dòng)，但大部分采用電活性聚合物、記憶合金或液壓等方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，不能高效率、高精度地模擬復(fù)雜生物肌肉運(yùn)動(dòng)。

近年來(lái)，隨著生物學(xué)與工程學(xué)的不斷發(fā)展融合，通過(guò)將活體細(xì)胞、生物傳感及生物驅(qū)動(dòng)的方法置入機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，高度仿真的“生物肌肉”已幾近實(shí)現(xiàn)。這條人造（魚工）魚的研制，成功將生物工程融入機(jī)械設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了智能控制，具有重大意義。近期哈佛大學(xué)的另一項(xiàng)成果是利用碳納米管作為電極，在電刺激的驅(qū)動(dòng)下，多層排列肌肉細(xì)胞組成的肌束，能進(jìn)行有規(guī)律的收縮運(yùn)動(dòng)，同樣達(dá)到模擬生物肌肉的效果。

目前微創(chuàng)外科中使用的各種腔鏡器械，哪怕是最先進(jìn)的達(dá)·芬奇手術(shù)機(jī)器人，其進(jìn)行手術(shù)操作的器件也是通過(guò)人工或機(jī)械控制，靈活程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及外科醫(yī)生的雙手。如能將人造生物肌肉融入器械設(shè)計(jì)中，并通過(guò)外界的指令，精確做出反饋動(dòng)作，醫(yī)生便可借此完成更加精密復(fù)雜的手術(shù)。今年，倫敦大學(xué)的機(jī)器人專家、工程師及外科醫(yī)生組成的研究團(tuán)隊(duì)首次利用“柔性”手術(shù)機(jī)器人在人體內(nèi)進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)操作實(shí)驗(yàn)，其機(jī)器人操作臂模擬章魚柔軟的觸須，可以在手術(shù)區(qū)域中靈活穿過(guò)狹小的間隙，同時(shí)避開一些重要血管或器官，完成復(fù)雜的手術(shù)操作。未來(lái)，隨著生物肌肉技術(shù)的進(jìn)一步成熟，手術(shù)操作的效率、準(zhǔn)確度及可控性將進(jìn)一步提升，給人類帶來(lái)更大的福祉。（朱鎧）