一个测试人造肌肉的力量

花一分钟的时间思考你的身体做什么你读这篇文章。你的眼睛扫描页面;你的手指敲击键盘或屏幕刷;也许你的手拿着纸的副本必威体育 红利账户;你支持你当你坐在一把椅子上。即使做一些久坐不动的阅读,我们的肌肉不断在工作中。在幕后,,心脏肌肉保持我们的心跳动和平滑的肌肉表现其他无意识的功能,如消化。运行的所有这些以及更多的行动——博尔特破纪录的100米,一只蜂鸟的翅膀打50次,大象蜂拥的人群——是由肌肉非常相似的结构和作用机制。

肌肉组织是非常通用的,但是它的结构看起来很简单。这并不奇怪,因此,模拟其属性的想法已经存在了很多代人。第一个认真检查这是17世纪的博学的罗伯特胡克。他可能是最著名的物理学学生通过他的法律,但他也为生物科学领域做出了重要的贡献:他是第一个把微生物通过显微镜和第一个硬币“细胞”这个词。胡克试图创建一个机将力转换成自然肌肉运动以类似的方式使用火药供应的力量。“我有办法让人造肌肉命令20个人的力量,”他评论说,尽管实验似乎很快就被抛弃了。

在一个基本的层面上,肌肉可以被描述为生物致动器

胡克在哪里使用火药为运动提供能量,生物肌肉使用普遍生化能源,三磷酸腺苷(ATP)。在过去的半个世纪中,生物学家和生物化学家都在不知疲倦地工作,以确定它们的结构和机制,所以今天的人造肌肉设计师提供一个模板从分子细节全面工作。该企业开始开拓结构生物学家肯·霍姆斯在剑桥大学医学研究委员会分子生物学实验室,英国,在那里他阐明肌肉收缩的分子机制。

金属肌肉

骨骼肌的结构,也称为“自愿”肌肉,神经系统的控制下,在低分辨率的福尔摩斯之前开始研究其分子组成。这些肌肉包括定期重复的功能单元,或观察,这给了他们一个有条纹的特征(或联合)出现在光学显微镜下。肌肉组织是由一束束的长,纤维细胞,每一个都包含许多细胞核和许多长,肌原纤维平行。反过来,每个肌原纤维组成的多个副本两个长蛋白,肌球蛋白和肌动蛋白,与蛋白质结合在一起,形成厚和薄丝。肌凝蛋白提供了运动对肌肉的收缩。非常短暂,每个肌球蛋白分子都有一个电动机领域包括两个“头”,可以从连续弯曲到flex通过ATP水解的构象,和一个细长的尾巴,平行于邻近肌动蛋白分子。也许与我们的直觉相反,肌凝蛋白和其他电动机蛋白质可以被认为,简单,ATP水解的催化剂:这些马达蛋白的酶。

肌肉收缩时肌凝蛋白从厚丝头扩展抓住邻近的薄丝和“沿着”通过协调一致的弯曲和扩展,水解过程中大量的ATP分子。有趣的是,肌凝蛋白头只能在一个方向,沿着肌动蛋白丝,每个单独的肌肉收缩和放松但不能扩展。他们的权力来自协调行动:最简单的行动,比如解除对象从一个表,需要数十亿肌凝蛋白头移动。

在一个基本的层面上,肌肉可以被描述为生物致动器。这是给机器的组件生产和控制一个系统的运动;科学家和工程师致力于人造肌肉通常指致动器。根据定义,任何需要的能源和致动器通过信号控制运动的手段。在骨骼肌的情况下,当然是ATP能量的来源,来自于神经系统的控制。

我们日益增长的理解复杂的肌肉纤维的结构和机制在分子水平上无疑激发了许多团体现在致力于开发人工执行机构与骨骼肌属性相似。然而,它是不必要的复制肌肉纤维的结构——甚至在分子水平上产生相似的材料,或者只是足够相似,属性是有用的。首席执行官在最近的一次审查,赛义德Mirvakili没有电子在温哥华,加拿大和直到最近麻省理工学院博士后,描述了各种资料,包括基本金属、纤维和塑料,最近形成了这样的致动器的基础。这些材料非常传统,简单的可以随时从供应商购买;使他们作为的属性,或者,人造肌肉源自他们的结构。

导电纤维的截面几十纳米,纳米线,经常用于致动器。这些可以是任意长度,但是太薄,不能单靠传统的力学描述它们的属性,他们被称为量子纤维。其效用,致动器,来源于他们可以产生运动响应,或电场或磁场。大部分Mirkavelli执行机构在药物输送系统的研究涉及到纤维以铌纳米线。这种韧性过渡金属的特性使它适合临床使用:它非常导电,惰性,所以非常安全的临床使用,且相对容易获得。”不是一个稀土铌、奇异甚至特别昂贵,“Mirkavelli说。这是经常使用在更传统的医疗设备,和一些国家已经使用硬币,因为它氧化时生成一个美丽的表面颜色。这些纤维100倍比碳纳米管导电,已被用于类似的设备;他们也有非常高的电容,这意味着他们还可以用于产生高磁场核磁共振机器。

软实力

中心的负责人伊夫Perriard人造肌肉在瑞士洛桑联邦理工,和他的团队正在发展中所谓的“软致动器”的可塑性,electro-active聚合物为临床应用。他们的介电弹性体驱动器(DEA)是一种夹在两个高压hyper-elastic硅树脂聚合物碳基电极和绝缘。生产的过程中,我们使用命太敏感了,我们必须重新开始如果连一块灰尘进入,”他解释说。

这些软的最远的发达致动器是一种人工管状肌肉用来环绕主动脉-的主要动脉把血液从心脏对身体,有节奏地收缩反应的电子信号。因此,它将挤压血管,迫使血液进入心脏,所以增加主动脉的功能。克里斯蒂安·巴纳德以来首次成功进行心脏移植在南非1967年,有超过50000名患者接受了供体心脏和平均受体移植后存活约15年。然而,这个过程是侵入性的,昂贵,严重限制了可用的数量供心:即使在Covid大流行之前,病人在英国经常不得不等上几年的移植。人工肌肉Perriard和他的团队正在开发的目的是支持一个失败的心,延缓甚至阻止移植的必要性。我们的设备有一个重大优势,它坐落在主动脉所以不进入心腔或血液,“Perriard说。“操作因此微创心内直视手术,和病人不需要抗凝血剂,以防止血液凝固装置。”

2021年4月在四个小时的手术,管式致动器位置是一个活生生的猪的主动脉。这维护猪的心跳在整个操作,允许它供血更有效率。“猪主动脉直径也有类似的人类,和它的血压范围是相似的,所以动物是接近理想模型进行了实验,“Perriard说。“然而,升主动脉-最近的心脏部分,在人造肌肉需要定位提供额外的能量——不是足够长的时间来适应;小牛将会是一个更紧密的模型在这方面。临床试验仍几年了,但成功的第一个动物实验进一步开启了800万瑞士法郎(£650万)从维尔纳西门子基金会赠款资金中心的人造肌肉。和Perriard集团开始发展软致动器为两个进一步的临床应用:支持尿道功能从尿失禁病人,并恢复中风后的面部表情。

昆虫的灵感

介电弹性体驱动器可能会很困难,但至少他们是足够大的容易处理。宏强王从南方科技大学(SUSTech)设在深圳,中国,和他的同事正在开发数值执行机构受生物肌肉作为昆虫机器人组件。传统的电磁电机相对较重,如此规模的笨拙,难以融入机械;相比之下,昆虫肌肉已经超过十亿多年是健壮的,轻量级和韧性。在分子尺度,昆虫肌肉非常类似于脊椎动物的。这些微型执行器设计分层的方式,模拟生物肌肉,与数组的微型电极取代肌动蛋白和肌球蛋白丝,”王解释说。

集团在SUSTech已经开发出两种截然不同的微型机器人作为研究案例,说明他们的想法的多功能性:earthworm-like爬行工具和切削工具,可用于手术。第一次有一个非常小的截面,使它通过狭窄的缝隙,可用于检查或搜救在有毒的环境中。我们的机器人可能是薄而灵活,但意外强劲,比其他工具具有类似用途,”王说。它甚至可以恢复,如果你踩到它。的刀具可以用于肿瘤切除手术,对活检组织样本非常准确和精确。其他潜在应用需要机器人能够像飞蚂蚁,例如,这是只可能是可行的因为他们包含的致动器是光和灵活。

显然可以设计材料有肌肉的功能性质,但几乎没有任何结构性的,至少在微观层面上;这里描述的致动器,在王的昆虫类机器人是唯一共享任何骨骼肌的重要特性与微观结构。betway必威游戏下载大全当我们更多的了解肌肉蛋白的作用机制,很可能致动器设计的模仿他们的结构更紧密。和肌凝蛋白的一个家庭只有一个马达蛋白ATP中存储的化学能转换成运动。驱动蛋白和更大、更复杂的动力蛋白同源蛋白质,用头域“走”相反的方向沿着微管在细胞的细胞骨架,以细胞器和大分子复合物为‘货物’。驱动蛋白有一个关键的角色在有丝分裂,细胞分裂,细胞组件转移到细胞分裂前的两端;有几种类型的动力蛋白分子与不同的功能,包括卵子和精子的运动细胞。包括艾滋病毒在内的一些病毒劫持动力蛋白运输本身对感染细胞的细胞核。

驱动蛋白与x射线晶体学和动力蛋白结构已经确定,福尔摩斯的技术用于获得早期肌动蛋白和肌凝蛋白的结构,但更多的使用电子显微镜最近进展。电子显微镜的分辨率革命在过去的几年里使我们想象动力蛋白分子与微管追踪,”安东尼·罗伯茨说,结构生物学家伯克贝克学院。模仿这些动作蛋白质,也许,材料与弹簧状肌的属性——最长、规模最大的人类蛋白质,负责肌肉组织的弹性——新材料可能为人造肌肉的开发者提供未来的挑战。

在英国剑桥,克莱尔桑塞姆是一个科学作家