牛津大学团队采用先进机器人技术，推动「人造肌腱」实际应用-技术圈

大数据文摘授权转载自机器人大讲堂

你知道“肩袖撕裂”吗？它是肩关节炎疼痛的常见原因之一。

作为肩袖撕裂损伤中最为常见的肌腱损伤，每年世界范围内的患者高达几千万人。该病痛给患者带来巨大疼痛，甚至导致肢体功能丧失，无法正常生活和工作，造成极大的家庭和社会负担。

由于肌腱愈合与再生能力差，手术是恢复肌腱功能的首选治疗方法，该类手术也是运动医学科最常见的手术之一。

据统计，美国民众每年在肌腱治疗手术上花费约为15亿美元。然而，现有缝合线在肌腱修复中因力学和生物学性能不佳而导致的再撕裂及炎症感染时有报道，超过40%的肩袖肌腱修复手术后失败率给患者的生理和心理带来巨大负担。

随着人口老龄化的趋势以及不佳的手术治疗效果，肌腱损伤病痛越来越普遍，亟需来自其他学科的知识来推进肌腱疾病的治疗。

人造肌腱为患者带来治疗福音

当前，设计制造出医学专用的人造肌腱组织，可以为肌腱移植手术提供一种可行性方案。一般而言，为了更好的设计人造肌腱，在实验阶段需要对人造肌腱组织进行机械特性实验来模拟其在人体内的受力情况。

因此，在实验阶段需要额外的驱动器来对人造肌腱来进行多种激励，通过观察肌腱组织的响应从而更好的设计肌腱，而肌腱生物反应器刚好充当了这个角色。

值得注意的是，人体的激励多种多样。但传统的肌腱生物反应器仅能输出拉伸方向的单自由度激励，这和人体真实情况存在较大差别，而这种性能欠缺的实验设备给人造肌腱的从设计到落地应用带来困难。

针对这一难题，来自牛津大学的研究团队提出可以使用软体机器人和类人肌肉骨骼机器人作为新型的生物反应器平台，凭借软体机器人可实现多自由度驱动，而且其结构类似于人体肌肉的结构优势，该方案具备一定前瞻性。

这项研究以论文Advanced Robotics to Address the Translational Gap in Tendon Engineering为题发表于中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊Cyborg and Bionic Systems(类生命系统)上。

论文地址：

https://spj.sciencemag.org/journals/cbsystems/2022/9842169/

文初，研发团队回顾了当前的肌腱组织工程发展，并指出传统的生物反应器存在输出单一，无法模拟人体肌肉的问题。

针对于此，研发团队提出可以利用肌肉骨骼机器人和软体机器人系统作为试验平台，开展相关研究解决肌腱工程面临的发展瓶颈。

图.肌腱组织工程发展趋势

先进机器人技术在肌腱组织工程里的应用

在20世纪80年代医学领域成功引入机器人技术之后，大量有关研究使医疗机器人发展迅速，但刚性医疗机器人仍存在柔性度不足等难以突破的局限性问题。

随着软体机器人的发展，研究发现软体机器人能弥补刚性医疗机器人的一些不足。

软体机器人由软材料构成，对人体有较高的友好性，不会对组织及器官造成伤害。如果将软体机器人与传统刚性机器人共同协作可为医学治疗提供更多解决方案，提高医疗效率。

具体而言，在肌腱组织工程当中，人体的肌腱存在被拉伸、压缩、扭转和剪切的应力。因此要设计人造肌腱，需要多种类型和方向的压力激励源来对其更全面的测试。

而当前先进机器人系统，如类人骨骼机器人和软体机器人，可以为肌腱提供多自由度输出信号以模仿人体真实肌肉，因此可以说仿生机器人系统为肌腱组织工程的发展提供了一种十分有前景的技术手段。

图.肌腱组织的分层结构

图.肌腱组织中的信号传导方式

传统生物反应器由大多由步进电机进行驱动，且造价昂贵（25,000美元~50,000美元）。

虽然一些技术人员通过改进来小幅降低了其成本，但还是无法解决其单自由度输出的问题，造成其应用场合受限的问题。

在肌腱组织工程中，除了上诉所提到传统生物反应器输出性能单一，无法准确模拟人体肌肉的真实工况，肌腱组织还面临不同解剖位置具备不同的肌腱的力学响应的问题。

因此人造肌腱的设计需要多种激励源来模拟人体肌肉，从而来对人造的肌腱来进行设计，为其落地提供实验指导。

图.传统单自由度肌腱测试生物反应器

类人骨骼机器人

类人骨骼机器人因为具备和人具有相似的身体比例、骨骼结构、肌肉组织结构和关节结构，其设计之初常用于用于车辆的碰撞测试、生物医学假肢适用性研究等应用。

因此，研究团队利用类人骨骼机器人被提出作为新型生物反应器，从而可以很好模拟人体肌肉的多种激励，以更好协助研究人员设计人造肌腱。

图. 适用于肌腱组织工程的先进机器人技术

那这种新型生物反应器具体是怎么样的呢？

据研究人员描述，类人骨骼机器人使用驱动器模块来模仿人类神经肌肉组织。机器人所采用的驱动器模块包括三大部分：一是可以产生张力的无刷直流电机，二是用来模仿肌腱单元的人造肌丝，以及相当于人体神经系统的传感器集成模块。

该传感器集成模块可以对人造肌腱的张力、压力、肌肉长度，温度等参数进行传感，可以说这种类人骨骼机器人可以很好模仿人体的真实工况。

由于这种先进的机器人技术可以为人造肌腱提供多种激励，研究人员表示已经当前将这项技术已被应用于猪的平滑肌组织当中，以初步验证人造肌腱的可行性。

图.组织工程中的生物混合软体机器人驱动器

当前，与生物结合的软体机器人技术主要用于开发具有仿生学和柔顺性的软体机器人。诸如肌腱组织工程的复杂应用环境里，可以通过采用先进机器人技术来设计相关应用并使其成功落地。

同时，由于当前的软体机器人技术可以有多种激励源，如温度热驱动、气体驱动和液压以及光驱动，大大拓展了软体机器人应用场合。

同时，由于自身特性软体机器人主要由水凝胶、橡胶和人体肌肉骨骼组织等软体物质构成。因此，这些材料用来搭建肌腱组织十分合适，其自身的软体材料不但可以模拟人体肌腱，而且它们而且还能输出多自由度运动，可以说软体机器人中使用的几种技术与当代肌腱组织工程实践相吻合。

未来展望

“越来越多的研究团队表示可以将先进的机器人技术与活细胞和组织一起用于生物工程和组织工程应用。我们现在处于一个激动人心的阶段，我们可以探索将这些技术融入组织工程的各种可能性。” 牛津大学研究人员Pierre Alexis Mouthuy表示。

但这项新的肌腱工程需要还面临许多挑战。

除了将要采用文中的多自由度软体激励作为新的生物反应平台外，也需要寻找能够 3D 图像中的应力的方法。

此外，合理的价格是这类型机器人可以广泛应用的先决条件。

最后，从长远来看，先进机器人技术可以为减少患者数量改善个人的生活质量，通过减少手术的次数来提高生产力和降低医疗保健成本来促进经济发展。

随着软体机器人在材料、驱动方式、建模理论、控制方法等方面的不断创新、完善和发展，软体机器人终究能达到临床应用标准，在医学领域的应用也会更广泛。软体机器人与传统刚性机器人共同协作可为医学治疗提供更多解决方案，提高医疗效率。

论文引用信息：Iain L. Sander, Nicole Dvorak, Julie A. Stebbins, Andrew J. Carr, Pierre-Alexis Mouthuy, "Advanced Robotics to Address the Translational Gap in Tendon Engineering", Cyborg and Bionic Systems, vol. 2022, Article ID 9842169, 18 pages, 2022. https://doi.org/10.34133/2022/9842169

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