声学技术或可让医疗领域的软体机器人迎来变革。

这是一种充满微小气泡的软凝胶。乍看之下，它并不起眼，但当它受到超声波脉冲作用时，这种材料会像天然肌肉一样运作：收缩、抓握，并以惊人的力量提举物体。

2025年10月，《自然》（Nature）刊登了这项研究发现。该文介绍了一种新型人造肌肉，其动力来源不是电线、电池或泵，而是声波。

这种“气泡肌肉”背后的声学原理为无线控制、快速响应甚至为深层组织操作开启了可能性的大门。这或许可以推动数项新技术的发明：能够以逼真的灵活度穿过狭小空间的软体机器人，可以在体内弯曲和伸展的外科手术工具，或是能在不损坏脆弱物体的情况下操控它们的柔性夹持器。

“从医学的角度来看，这真的很酷，”美国西北大学材料学家瑞安·特鲁比（Ryan Truby）表示（他并未参与该项研究），“他们采用了相对简单的方法，但以巧妙的新方式将这些方法整合了起来。”

人造肌肉的设计挑战

长期以来，机器人领域一直在努力设计能够媲美活体组织的柔韧性和柔软度的人造肌肉。电机和液压执行器虽然能够提供力度，但缺乏精细控制，并且在体内使用时可能存在安全风险；而由热、空气或化学反应驱动的软性执行器往往体积庞大、能效低下，或是速度过慢，难以满足实际应用需求。

苏黎世联邦理工学院的纳米机器人专家丹尼尔·艾哈迈德（Daniel Ahmed）采取了不同的策略。他和同事们利用声学共振的力量，将数千个微小的气泡嵌入一种具有生物相容性的柔软凝胶中，并将这些气囊排列成类似晶格的结构，使其在受到超声波作用时能够迅速运动。

不同的气泡尺寸会对不同的超声波频率作出响应，从而可以控制材料的不同部分弯曲

通过调节超声波频率和仿真肌肉阵列中的气泡大小，研究人员即可引导凝胶弯曲、旋转或变形，这实质上是将不可见的振动转化为可控的运动。“通过激活不同的频率组合，”艾哈迈德表示，“你真的能够获得可编程的肌肉。”

软体机器人中的气泡肌肉

已有数个原型设备展示了气泡肌肉的实际应用。

在一次演示中，研究人员制作了一个类似爪子的夹持器，能够迅速合拢包住活体斑马鱼仔鱼，且不会伤害到这些脆弱的动物。在另一次演示中，他们制作了一种魟鱼形软体机器人，它的鳍上布满了三种不同尺寸的微小气泡，能在超声波作用下摆动，从而使它在水中顺畅前进，甚至可以在猪胃中运行。

艾哈迈德的团队还充分利用了从当地屠宰场获得的猪组织，展示了这种材料的抓握能力。例如，一块排布了微泡的凝胶能够紧紧附着在猪心表面，保持在原位一小时以上，同时对超声波作出响应、弯曲自身。

在另一项实验中，研究人员将他们的人造肌肉材料封装在可生物降解的胶囊中，并将其植入猪膀胱内。胶囊溶解后，超声波激活该装置，使其展开并附着在膀胱内壁组织上——这暗示着，未来或可利用此类系统进行体内靶向治疗。

“实际上，我们可以将我们的系统用作递送药物的贴片，”该研究的合著者、曾在艾哈迈德的实验室攻读博士学位、现就职于中国杭州西湖大学的施展表示，“这具有非常实际的应用价值。”

生物医学植入物中的超声成像

超声驱动的人造肌肉的一个显著特征是，其中的微泡可以通过标准超声成像进行跟踪。并且，由于微泡的驱动频率（1至100千赫）远低于临床成像所使用的频率（1至20兆赫），这两种功能不会相互干扰。

不过，目前所有的概念验证演示都是在死亡组织上进行的，系统在活体大鼠或猪体内的表现尚待观察，更不用说在人类体内——尤其是，骨骼和其他不规则组织可能会散射并削弱超声信号，体内流动的液体也可能会干扰受控运动。

没有活体证据，你就无法判断这是否真的有效。该系统还受到一种限制，即长时间执行驱动会导致气泡膨胀，其功能会在大约半小时后变得不稳定。

尽管如此，气泡肌肉的微小规模和快速响应这两种特性都会使它在生物医学植入物领域具有特别的吸引力。总的来说，气泡肌肉拥有独一无二的材料特性，而且原理上可行。

资料来源 IEEE

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本文作者艾利·多尔金（Elie Dolgin）是一位科学作者，专事生物医学和药物发现方面的报道