迈向感知与自主：首例具备本体感觉的仿生混合机器人
一、 研究团队与发表信息 本研究由Miriam Filippi, Aiste Balciunaite, Antonia Georgopoulou, Pablo Paniagua, Felix Drescher, Minghao Nie, Shoji Takeuchi, Frank Clemens和Robert K. Katzschmann共同完成。其中，Miriam Filippi和Robert K. Katzschmann为通讯作者。主要研究机构包括瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）软体机器人实验室、瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）的高性能陶瓷实验室，以及日本东京大学信息科学与技术研究生院的机械信息学系。该项研究成果以题为“Sensor-Embedded Muscle for Closed-Loop Controllable Actuation in Proprioceptive Biohybrid Robots”的学术论文形式，于2024年9月24日在线发表于期刊 Advanced Intelligent Systems (2025年第7卷，文章号2400413)。
二、 学术背景与研究目的 本研究属于仿生混合机器人（Biohybrid Robotics）与生物电子学（Bioelectronics）的交叉领域。仿生混合机器人旨在利用活体细胞（如心肌或骨骼肌细胞）的独特性能，如收缩性、机械柔顺性、自修复和适应性，来驱动软体机器人执行运动、抓取、泵送等功能。然而，该领域长期以来面临一个核心瓶颈：缺乏闭环反馈控制系统。现有的生物致动器（Bioactuator）主要依赖开环控制策略，即通过预设的电刺激或光刺激模式来触发或同步细胞收缩。这种“盲目”的刺激方式无法获知致动器实时的力学状态（如收缩程度、产生的力），从而严重阻碍了仿生混合机器人向智能、自适应系统的发展。因此，开发能与生物组织集成、实时感知其机械状态并据此调控致动响应的传感技术，是实现智能仿生混合机器人的关键。
然而，在生物工程系统中集成电子器件面临巨大挑战：材料生物相容性、在湿润细胞培养环境中的长期稳定性、与柔软组织的机械性能匹配、以及抵抗外部刺激（如用于驱动肌肉的电刺激）带来的电信号干扰等。传统的压阻式（Piezoresistive）机械传感器虽具有潜力，但常受限于生物相容性差、湿环境下性能衰减以及与软组织力学失配等问题。
基于此，本研究旨在开发一种可无缝集成于工程化骨骼肌组织内部、能够实时感知其微米级收缩运动、并最终实现闭环控制的新型柔性传感系统。具体目标包括：1) 制造一种基于压阻复合材料的柔性纤维状传感器，满足生物相容性、机械柔顺性和湿环境稳定性要求；2) 验证该传感器与骨骼肌组织共培养和集成的可行性；3) 证明传感器在电刺激环境下检测生物致动器微收缩的能力；4) 首次构建一个能够根据传感反馈自主调控刺激的“本体感觉”仿生混合机器人系统，实现从生物致动器到智能仿生混合机器人的范式转变。
三、 详细工作流程 本研究遵循材料开发、性能表征、生物相容性验证、传感功能测试及闭环控制演示的系统性工作流程。
1. 传感纤维的制造与基本性能表征 * 制造方法：研究人员采用热塑性加工技术。首先，将医用级苯乙烯基嵌段共聚物（TPS，邵氏硬度20A、40A、52A）与炭黑（Carbon Black, CB）以1:1的质量比在180°C下进行高剪切熔融共混。随后，将复合物通过直径为0.2 mm的喷头熔融挤出，形成纤维状传感器。为了最大化与软组织的机械亲和性，后续实验主要选用最柔软的20A硬度纤维。 * 绝缘涂层：为使传感器在电解质的细胞培养基中工作并屏蔽外部电刺激干扰，通过浸涂法在预拉伸变细的纤维表面包裹了一层生物相容的液态硅橡胶（LSR）绝缘层。扫描电镜（SEM）显示，涂层后纤维总直径约130μm，绝缘层厚度约16±7μm。 * 机械-电学表征：使用拉伸试验机联用源表，对涂层前后的纤维进行力学和电阻性能测试。关键测试包括： * 大应变范围（至断裂）测试：评估不同硬度纤维的拉伸强度、断裂伸长率和压阻响应（相对电阻变化δR/R0）。结果显示20A纤维具有最高的断裂伸长率和在低应变下良好的灵敏度。 * 小应变范围（0-2%）精密测试：这是为了模拟生物致动器产生的微小力（毫牛级）和位移（微米级）。测试证实，在0-2%应变范围内，涂层纤维的应力-应变和电阻-应变响应均呈单调性，力检测范围在几毫牛，符合先进生物致动器的输出预期。 * 动态响应测试：以1Hz频率施加0.2%的循环应变，模拟生物致动器的典型刺激模式。传感器响应稳定且一致。 * 预应变效应：研究发现对纤维进行预拉伸处理后再涂覆，可以提高其在微小应变（1-2%）下的应变系数（GF），从而制备出对生物致动器微动更敏感的传感器。
2. 传感器的生物相容性与组织集成能力验证 * 细胞毒性测试：使用小鼠成肌细胞（C2C12）通过Resazurin（阿尔玛蓝）法评估纤维材料浸提液在不同浓度（0.1-100 mg/mL）和时间（至14天）下的细胞活性。结果表明，无论涂层与否，细胞活性均保持在85%以上，证明材料高度生物相容。 * 细胞粘附与生长：将细胞直接接种于涂层纤维表面进行共培养。活/死染色和SEM观察显示，细胞能在纤维表面良好粘附、增殖并形成多层生物膜，表明传感器可形成有效的生物界面。 * 3D工程化骨骼肌组织内集成：在制备含有成肌细胞的3D水凝胶构建体（1x0.5x0.5 cm）时，将涂层纤维直接嵌入其中。 * 组织发育评估：培养15天后，通过免疫荧光染色检测肌肉分化标志物（如肌球蛋白重链MyHC），计算融合指数（融合肌管中的核数/总核数）。结果显示，嵌入纤维的组织与对照组在肌管长度、融合指数（约0.65）和细胞代谢率上均无统计学差异，表明纤维的存在不影响骨骼肌组织的正常分化与成熟。 * 界面分析：组织学（H&E）染色显示，活体组织与纤维之间形成了紧密、连续的界面。而无细胞的对照组中，纤维与凝胶基质的界面则较为松散。这说明共发育的活体组织积极参与并稳定了传感纤维与基质之间的界面，有利于机械力的有效传递。
3. 生物相关环境中的传感器功能性验证 * 软基质集成与机械互锁设计：将纤维嵌入模拟软组织硬度的琼脂糖或Matrigel/胶原蛋白凝胶块中。初期尝试直线嵌入时，纤维在非细胞化的凝胶中易滑动，传感响应不可靠。为此，研究团队创新性地将纤维设计成预张紧的蛇形（Serpentine）结构嵌入凝胶。这种设计使纤维在凝胶内部形成机械互锁，有效防止了界面滑移，确保了在压缩或拉伸载荷下传感器响应的可靠性（压缩时δR/R0为负，拉伸时为正）。 * 长期培养与电刺激环境稳定性： * 介质浸泡：将涂层与未涂层纤维在37°C细胞培养基中浸泡1周后测试。未涂层纤维的压阻响应变得非单调，而涂层纤维保持了单调的响应趋势，证明了绝缘涂层对于维持传感器在湿环境中长期功能性的关键作用。 * 电刺激屏蔽测试：将集成有传感器的组织构建体置于施加3Hz脉冲电场的培养基中。结果显示，未涂层传感器的信号受到电场严重干扰，出现剧烈波动；而涂层传感器的信号则保持平稳，成功屏蔽了外部电刺激的干扰，验证了其在此类应用环境中的适用性。
4. 感知生物致动器的收缩运动 * 实验设置：构建毫米级的环形骨骼肌组织生物致动器。将传感纤维以同轴方式环绕穿入肌环中，一端固定，另一端张紧。 * 刺激与测量：施加1Hz、4.5 V/cm的方波脉冲电刺激驱动肌肉收缩，同时记录传感纤维的电阻变化，并用光学显微镜录像。 * 结果分析：光学流分析显示肌肉组织产生与刺激频率同步的抽搐运动（横向位移约60μm）。传感信号清晰地显示出与刺激频率（1Hz）相匹配的峰值响应。通过视频分析关联，传感器对观察到的肌肉收缩事件的检测效率接近90%。信号峰值数量略少于施加的电脉冲数（约75%），原因可能是肌肉对部分刺激未产生有效收缩响应。此实验证明，该传感器能够可靠地检测出生物致动器产生的微小（微米级）机械变形。
5. 实现生物致动器的闭环控制——首个本体感觉仿生混合机器人 * 系统构建：这是本研究的核心创新演示。研究人员设计了一个定制化平台：将正在发育的环形生物致动器的两端分别用两根传感纤维环绕并固定在支柱上。这种对称张紧的设计不仅用于传感，还在组织发育阶段促进了细胞的定向排列。组织成熟后，两根纤维的有效传感段各为4mm。 * 控制算法：开发了一个基于阈值的闭环控制器。其逻辑是：控制器周期性地（如每1、3或5秒）触发开启电刺激；随后实时监测传感信号的相对电阻变化率（经过高斯滤波和加权中值滤波处理以去噪）；当检测到的变化率超过预设阈值（对应一次强烈的肌肉收缩）时，控制器立即关闭电刺激，直到下一个触发周期开始。 * 演示结果：在培养11天的成熟生物致动器上进行测试。结果显示，闭环控制系统能够100%可靠地工作：每次传感器检测到强收缩信号（超过阈值），控制器都如预期般切断了刺激。相比之下，在开环系统中，刺激输出持续进行，不受肌肉收缩状态影响。此外，该系统还能适应生物致动器在不同发育阶段（如第7天与第11天）响应强度的差异，以及不同强度的收缩模式，展示了其自适应潜力。
四、 主要研究结果及其逻辑关联 1. 成功制造出超柔韧、可绝缘的压阻传感纤维：以20A硬度的医用TPS和CB为材料，通过热挤出和浸涂工艺，获得了直径约130μm、具生物相容性硅胶绝缘层的纤维传感器。其在微小应变（%）下表现出单调、灵敏且稳定的压阻响应，力学性能与软组织高度匹配。 2. 验证了卓越的生物相容性与组织共发育能力：体外细胞实验和3D组织工程模型均证实，该传感器不影响成肌细胞的活力、增殖和分化。活体组织能主动与纤维表面形成紧密界面，为高效的机械载荷传递奠定了基础。 3. 证明了在复杂生物环境中的可靠功能：通过蛇形互锁设计解决了纤维-软基质界面滑移问题。绝缘涂层确保了传感器在长期湿法培养和存在外部电刺激场环境下的稳定工作和抗干扰能力。 4. 实现了对生物致动器微收缩的高效检测：传感器能实时捕捉由电刺激引发的骨骼肌组织微米级收缩，信号峰值与光学观察到的收缩事件高度相关，检测效率达90%，证实其作为生物致动器“本体感觉”器官的可行性。 5. 首次演示了仿生混合机器人的闭环自主控制：这是本研究的标志性成果。通过将传感器深度集成到生物致动器的形成过程中，并开发简单的阈值控制算法，构建了一个能够“感知-判断-行动”的系统。该系统可根据肌肉自身的收缩强度自主决定停止刺激，实现了从“开环驱动”到“闭环交互”的根本性跨越。
这些结果层层递进：材料与制造工艺为整个研究提供了物理基础；生物相容性和环境稳定性验证确保了该基础可用于真实的生物系统；传感功能测试证明了其核心能力；最终，闭环控制演示将这些能力整合，实现了本研究的最初目标——创造具有本体感觉和初步决策自主性的智能仿生混合机器人。
五、 结论与研究价值 本研究的结论是，成功开发并验证了一种可用于构建具备本体感觉的仿生混合机器人的新型组织集成式柔性压阻传感器。通过材料创新、结构设计和系统集成，首次实现了对工程化骨骼肌组织收缩状态的实时感知与基于此的闭环反馈控制。
其科学价值在于：推动了仿生混合机器人从开环控制到闭环智能控制的范式转变，为创造具有环境感知和自主决策能力的下一代软体生物机器提供了关键技术路径和概念验证。它解决了该领域长期存在的“有驱动无反馈”核心问题。
其应用价值广泛：1) 仿生混合机器人领域：为开发更智能、适应性更强的软体机器人、微型游泳器或抓取器奠定基础；2) 生物医学工程与药物研发：该传感技术可直接应用于3D病理生理组织模型或微生理系统，用于长期、原位监测组织收缩力、研究肌肉疾病或测试药物对肌肉功能的影响；3) 植入式生物电子器件：柔软、生物相容的特性使其有望用于未来可植入设备的力学传感。
六、 研究亮点 1. 首创性：报道了世界上首个具备本体感觉并能进行闭环控制的仿生混合机器人，实现了该领域从“生物致动器”到“智能生物混合机器人”的关键概念突破。 2. 材料与工艺创新：采用医用级热塑性弹性体与炭黑复合材料，通过热塑性挤出工艺制成超柔韧纤维，并结合生物相容性绝缘涂层，巧妙地解决了在湿润、电刺激环境中柔性传感的稳定性与可靠性难题。 3. 巧妙的集成策略：采用“蛇形”预张紧设计实现纤维在软基质中的机械互锁，以及将传感器作为张力支架与生物致动器“共发育”，这些策略确保了高效的力传递和稳定的组织-传感器界面。 4. 系统级演示：不仅停留在材料或器件层面，而是完成了从传感器设计、制造、表征、生物验证到最终集成于功能系统并实现闭环控制的完整链条，展示了强大的工程实现能力和跨学科整合深度。
七、 其他有价值内容 研究还展示了该技术的可扩展性和设计自由度。由于传感器完全基于柔软材料，无需刚性或金属部件，因此可以灵活地设计成不同的3D几何形状，集成到各种尺寸和构型的工程化肌肉组织中（如视频演示所示）。这为未来设计更复杂的多传感器阵列（用于测量多方向力）和更便携的集成式生物混合机器人系统开辟了道路。同时，该平台本身也可作为一个强大的研究工具，用于在组织发育和成熟过程中原位监测其力学性能的演变。