人造肌肉的力量测试

当你读这篇文章的时候，想一下你的身体在做什么。你的眼睛扫视书页;你的手指敲击键盘或滑动屏幕;你手里也许拿着一份纸质的必威体育 红利账户；当你坐在椅子上时，你的背部支撑着你。即使是在做像阅读这样久坐不动的事情时，我们的肌肉也在持续工作。在幕后，可以说，心肌维持着我们的心脏跳动，平滑肌执行着其他不由自主的功能，比如消化。所有这些动作以及更多的动作——尤塞恩·博尔特打破了100米的纪录，蜂鸟的翅膀每秒拍打50次，大象的踩踏——都是由结构和动作机制非常相似的肌肉驱动的。

肌肉组织极其多样，但其结构似乎相当简单。因此，模拟其特性的想法已经存在了好几代人，这并不奇怪。第一个认真研究这个问题的人是17世纪的博学多才罗伯特·胡克(Robert Hooke)。物理系学生最熟悉的可能是他的同名定律，但他也对生物科学做出了重大贡献:他是第一个用显微镜观察微生物的人，也是第一个创造“细胞”一词的人。胡克试图创造一种机器，以类似于自然肌肉的方式将力转化为运动，他用火药来提供力量。“我有办法制造出相当于20个人力量的人造肌肉，”他评论道，尽管这些实验似乎很快就被放弃了。

在基本层面上，肌肉可以被描述为生物驱动器

胡克用火药为运动提供能量，而生物肌肉则使用几乎通用的生化能量来源——三磷酸腺苷(ATP)。在过去的半个世纪里，生物学家和生物化学家孜孜不倦地工作，以确定它们的结构和机制，从而为今天的人造肌肉设计者提供了一个完整的分子细节模板。这项事业始于英国剑桥MRC分子生物学实验室的先驱结构生物学家肯·霍姆斯，在那里他阐明了肌肉收缩的分子机制。

金属肌肉

骨骼肌的结构也被称为“随意”肌，因为它们受神经系统控制。早在霍姆斯开始研究骨骼肌的分子组成之前，骨骼肌的结构就已经被低分辨率地了解了。这些肌肉由有规律重复的功能单元或肌节组成，这使它们在光学显微镜下呈现出特征的条纹(或带状)外观。肌肉组织由一束束长的纤维细胞组成，每一束细胞包含许多核和许多长而平行的肌原纤维。反过来，每个肌原纤维都是由两种长蛋白质的多个副本组成，肌球蛋白和肌动蛋白，以及将它们结合在一起的蛋白质，分别形成粗细的细丝。肌球蛋白为肌肉收缩提供动力。简单地说，每个肌凝蛋白分子都有一个由两个“头”组成的运动结构域，它们可以通过ATP水解从弯曲的构象弯曲成笔直的构象，还有一个长而细的尾巴，与相邻的肌动蛋白分子平行。也许与直觉相反，肌凝蛋白和其他运动蛋白可以被简单地认为是ATP水解的催化剂:这些运动蛋白是酶。

肌肉收缩发生在肌凝蛋白头从粗丝延伸到抓住相邻的细丝，并通过协调的弯曲和伸展“沿着”它，在这个过程中水解大量的ATP分子。有趣的是，肌凝蛋白头只能沿着肌动蛋白丝的一个方向移动，每一块单独的肌肉可以收缩和放松，但不能伸展。它们的力量来自于协调一致的动作:最简单的动作，比如从桌子上举起一个轻物体，都需要数十亿个肌凝蛋白头作为一个整体移动。

在基本层面上，肌肉可以被描述为生物驱动器。这是机器的组成部分，产生和控制一个系统的运动;研究人造肌肉的科学家和工程师通常把它们称为驱动器。根据定义，任何执行器都需要一个能量源和通过信号控制运动的方法。就骨骼肌而言，能量的来源当然是ATP，而控制则来自神经系统。

我们在分子水平上对肌肉纤维的复杂结构和机制的日益了解，无疑激发了许多团队现在致力于开发具有类似骨骼肌特性的人工执行器。然而，没有必要在分子水平上复制肌肉纤维的结构，甚至在分子水平上复制肌肉纤维的结构，以生产出具有相似或足够相似性质的有用材料。在最近的一篇综述中，加拿大温哥华Seron Electronics的首席执行官赛义德•米尔瓦基利(Seyed Mirvakili)描述了一系列广泛的材料，包括元素金属、纤维和塑料，这些材料最近构成了此类驱动器的基础。直到最近，他还是麻省理工学院(MIT)的博士后。这些材料中有许多是相当传统的，简单的，可以很容易地从供应商那里买到;使它们能够被用作人造肌肉的特性来自于它们的结构。

截面为几十纳米或更小的导电纤维，称为纳米线，经常用于执行器。这些纤维可以任意长度，但它们太薄了，它们的性质不能仅用传统力学来描述，因此它们被称为量子纤维。它们作为驱动器的有用性源于这样一个事实，即它们可以在光、电场或磁场的响应下产生运动。Mirkavelli自己对药物输送系统中致动器的大部分研究都涉及到由铌基纳米线制成的纤维。这种延展性过渡金属的特性使其非常适合临床使用:它极具导电性，化学惰性，因此对临床使用非常安全，而且相对容易获得。米尔卡韦利说，铌不是稀土，既不是稀有的，也不是特别昂贵的。“它通常用于更传统的医疗设备，一些国家还把它用在硬币上，因为它在氧化后会产生美丽的表面颜色。”“这些纤维的导电性大约是碳纳米管的100倍，碳纳米管已经被用于类似的设备;它们还具有非常高的电容，这意味着它们也可以用来为核磁共振成像仪产生非常高的磁场。

软实力

Yves Perriard是瑞士洛桑综合理工学院(Fédérale de Lausanne)人工肌肉中心的负责人，他和他的团队正在开发所谓的“软致动器”，由可延展的电活性聚合物制成，用于临床应用。他们的介电弹性体驱动器(DEA)是一种超弹性硅基聚合物，夹在两个高压碳基电极之间并绝缘。他解释说:“我们用来制造DEAs的过程非常敏感，即使有一粒灰尘进入，我们也必须重新开始。”

这些软致动器中发展得最远的是一种人造管状肌肉，它被设计成包裹在主动脉(将血液从心脏输送到身体的主要动脉)周围，并根据电信号有节奏地收缩。因此，它会挤压血管，迫使血液进入心脏，从而增强主动脉的功能。自从1967年克里斯蒂安·巴纳德在南非成功进行了第一例心脏移植手术以来，已经有超过5万名患者接受了供体心脏，现在平均受者在移植后存活约15年。然而，这种手术是侵入性的、昂贵的，而且严重受限于可用的供体心脏数量:即使在Covid大流行之前，英国的患者也经常需要等待几年才能进行移植。佩里亚德和他的团队开发的人造肌肉旨在支持衰竭的心脏，延缓甚至防止心脏移植。佩里亚德说:“我们的设备还有一个显著的优势，那就是它位于主动脉周围，所以不会进入心室或血液。”“因此，该手术比心脏直视手术的侵入性更小，患者不需要服用抗凝剂来防止血液在设备周围凝结。”

在2021年4月的一次4小时的手术中，一个管状驱动器被放置在一头活猪的主动脉上。这在整个手术过程中保持了猪的心跳，使其能够更有效地泵血。佩里亚德说:“猪的主动脉直径与人类相似，血压范围也相似，所以猪接近我们实验的理想模型。”“然而，升主动脉(离心脏最近的部位，需要植入人造肌肉来提供更多额外能量)不够长，无法植入人造肌肉;在这方面，一头小牛是一个更接近的模型。“临床试验还需要几年时间，但首次动物试验的成功已经为沃纳西门子基金会向人造肌肉中心提供了800万瑞士法郎(650万英镑)的拨款。”Perriard的团队正在着手开发用于两项进一步临床应用的软驱动器:支持患有尿失禁的患者的尿道功能，以及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很难制造，但它们至少足够大，易于操作。来自中国深圳南方科技大学(SUSTech)的王洪强(音译)和他的同事们正在开发中尺度驱动器，灵感来自生物肌肉，作为昆虫大小的机器人的组件。传统的电磁电机相对较重，笨重，很难整合到这种规模的机械中;相比之下，昆虫的肌肉经过了5亿多年的进化，变得结实、轻便、可塑性强。在分子尺度上，昆虫的肌肉与脊椎动物的肌肉非常相似。王解释说:“这些微型驱动器以模仿生物肌肉的分层方式设计，微型电极阵列取代了肌动蛋白和肌凝蛋白丝。”

南方科技大学的研究小组开发了两种截然不同的微型机器人作为案例研究，以说明他们想法的多功能性:一种类似蚯蚓的爬行工具，一种可用于手术的切割工具。第一种具有非常小的横截面，使其能够爬行通过狭窄的缝隙，并可用于检查或在有毒环境中搜索和救援。王补充说:“我们的机器人可能很薄，很灵活，但它比其他类似用途的工具更健壮。”“如果你踩到它，它甚至可以恢复。“这种切割工具可以用于手术切除肿瘤，并非常精确地提取组织样本进行活组织检查。例如，其他潜在的应用可能需要能像飞行蚂蚁一样行动的机器人，而这只可能是可行的，因为它们所包含的执行器非常轻且灵活。

显然有可能设计出具有肌肉功能特性但几乎没有肌肉结构特性的材料，至少在微观层面上是这样;在这里描述的执行器中，王的昆虫机器人中的执行器是唯一与骨骼肌微观结构具有显著特征的机器人。betway必威游戏下载大全随着我们对肌肉蛋白质的作用机制了解得更多，很可能会设计出更接近于模拟肌肉蛋白质结构的执行器。肌凝蛋白只是将ATP中储存的化学能转化为运动的运动蛋白家族中的一种。驱动蛋白和更大、更复杂的动力蛋白是同源蛋白，它们利用头部结构域沿着细胞骨架中的微管向相反方向“行走”，带着细胞器和大分子复合物作为“货物”。驱动蛋白在有丝分裂或细胞分裂中起着关键作用，在细胞分裂前将细胞成分移动到细胞的另一端;动力蛋白分子有几种不同的功能，包括卵细胞和精子细胞的运动。一些病毒，包括艾滋病毒，劫持动力蛋白，将自己运送到受感染细胞的细胞核。

驱动蛋白和动力蛋白的结构已经用x射线晶体学确定，霍姆斯用这种技术获得了早期肌动蛋白和肌凝蛋白的结构，但最近使用电子显微镜取得了更大的进展。伯克贝克学院的结构生物学家安东尼·罗伯茨说:“在过去几年里，电子显微镜的‘分辨率革命’使我们能够看到动力蛋白分子附着在微管轨道上。”用新材料模拟这些运动蛋白，也许还有一种具有弹簧样肌肽(最长、最大的人类蛋白质，负责肌肉组织的弹性)特性的材料，可能会给人造肌肉的开发人员带来未来的挑战。

克莱尔·桑瑟姆(Clare Sansom)是英国剑桥的科学作家