克莱尔·桑瑟姆发现,试图复制天然肌肉的科学家们有几个问题要克服

想想你的身体在你读到这一点的时候。你的眼睛扫描页面;你的手指敲击键盘或刷屏幕;你的手,也许拿着纸副本必威体育 红利账户;你的背部支持你,因为你坐在椅子上。即使在作为阅读的久坐不动时,我们的肌肉也在不断上班。在幕后,就像它一样,心肌肌肉保持着我们的心跳,平滑肌肉正在执行其他非自愿功能,例如消化。所有这些行动和更多 - Usain螺栓运行录制100米,蜂鸟的翅膀跳动了50次,大象冲压 - 由肌肉供电,具有非常相似的结构和行动机制。

肌肉组织非常通用,但其结构看起来很简单。因此,这并不令人惊讶的是,对许多代来模仿其性质的想法已经存在。第一个认真地检查这一点是17世纪的Polymath Robert Hoke。他可能通过他的同名法律对物理学生最为了解,但他也对生物科学作出了重大贡献:他是第一个通过显微镜观察微生物的贡献,以及第一个硬币“细胞”这个词。胡克试图创造一种用于将力转化为运动的机器以与自然肌肉类似的方式使用火药来供应力量。“我有一种方法可以使人为肌肉命令20个人的力量,”他评论道,虽然实验似乎已经被遗弃了。

在基本水平上,可以将肌肉描述为生物执行器

其中胡克斯使用火药供应动作的能量,生物肌肉使用近乎通用的生物化学能源,腺苷三磷酸(ATP)。在过去的半个世纪中,生物学家和生物化学家已经不知疲倦地努力确定他们的结构和机制,因此提供了当今的人工肌肉设计师,其中模板以全部分子细节工作。本企业始于英国剑桥MRC实验室的开创性结构生物学家Ken Holmes,在那里阐明了肌肉收缩的分子机制。

金属肌肉

骨骼肌(也被称为“随意肌”,因为它们受神经系统控制)的结构早在霍姆斯开始研究它们的分子组成之前就以低分辨率为人所知。这些肌肉由有规律重复的功能单位或肌节组成,在光学显微镜下呈现出典型的条纹状(或带状)外观。肌肉组织由成束的长纤维细胞组成,每个纤维细胞包含许多核和许多长且平行的肌原纤维。反过来,每一个肌原纤维都是由两种长蛋白——肌球蛋白和肌动蛋白——的多个拷贝,以及将它们结合在一起分别形成粗丝和细丝的蛋白质组成的。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的水解从弯曲变为笔直的构象,还有一条细长的尾巴,与相邻的肌动蛋白分子平行。也许与直觉相反,肌球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。

显示肌纤维解剖学的图像

资料来源:©科学照片库

肌肉由等级纤维和长丝制成,最小的是由蛋白质肌动蛋白和肌球蛋白组成的myofilaments

当肌球蛋白头从厚的长丝延伸时肌肉收缩才能通过协调屈曲和延伸抓住相邻的薄灯丝并“沿着”,在该过程中水解大量的ATP分子。有趣的是,肌球蛋白头只能在一个方向上沿着肌动蛋白细丝行进,每个肌肉可以收缩和放松但不会延伸。他们的力量来自协调的行动:最简单的动作,例如从表中抬起光对象,需要数十亿个肌球蛋白头作为一个。

在基本水平上,可以将肌肉描述为生物执行器。这是给予生产和控制系统移动的机器组件的名称;在人工肌肉上工作的科学家和工程师通常就像执行器一样。根据定义,任何执行器都需要能量源和通过信令控制运动的手段。在骨骼肌的情况下,能量源当然是ATP,并且控制来自神经系统。

我们对分子水平的复杂结构和肌肉纤维机制的越来越多的理解无疑激发了许多群体,现在努力开发具有与骨骼肌相似的性质的人工执行器。然而,不需要在甚至接近 - 分子水平上复制肌细丝的结构,以产生具有相似的材料,或者可能与其类似的性质是有用的。在最近的评论中,加拿大温哥华森林电子首席执行官Seyed Mirvakili,直到最近在麻省理工学院的博士后,已经描述了各种材料,包括元素金属,纤维和塑料,最近形成了这种执行器的基础。这些材料中的许多都是非常传统的,简单的材料可以随心所欲地购买;使它们可以使用的属性或者人工肌肉获得它们的结构。

截面小于或等于几十纳米的导电纤维,即纳米线,经常用于执行器中。这些纤维可以是任何长度,但它们非常薄,传统力学无法单独描述它们的特性,因此它们被称为量子纤维。它们作为致动器的有用之处在于,它们可以对光、电场或磁场做出反应,从而产生运动。Mirkavelli自己对药物输送系统中执行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:它具有极高的导电性、化学惰性,因此对临床使用非常安全,而且相对容易获得。米尔卡维利说,铌不是稀土,不是稀有金属,甚至也不是特别贵。“它常被用于更传统的医疗设备,一些国家还将其用于硬币上,因为它在氧化后会产生漂亮的表面颜色。”“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;它们也有非常高的电容,这意味着它们也可以用来为MRI机器产生非常高的磁场。

软实力

伊夫·佩里亚(Yves Perriard)是瑞士洛桑理工学院(Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne)人工肌肉中心的负责人,他和他的团队正在用可延展性、电活性聚合物开发所谓的“软致动器”,用于临床应用。他们的介质弹性体驱动器(DEA)是一个超弹性硅基聚合物夹在两个高压碳基电极和绝缘。他解释说:“我们用来生产dea的过程非常敏感,即使有一粒灰尘进来,我们也必须重新开始。”

3D动画介电弹性体执行器增强主动脉

资料来源:©Jamani Caillet / EPFL

管形致动器可以固定在主动脉周围以改善心脏功能并减少对移植的需要

这些软致动器的最远的是人工管状肌肉,设计用于缠绕主动脉 - 主动脉,使血液远离心脏朝向身体 - 并响应于电信号的节奏地结合。因此,它会挤压血管,迫使血液进入心脏,因此增强主动脉的功能。由于Christiaan Barnard于1967年在南非进行了第一个成功的心脏移植,超过50,000名患者接受了捐赠者心脏,平均接受者现在在移植后的15年后生存。然而,这一程序是侵入性的,昂贵且受到捐助者心脏的昂贵和严重限制的:甚至在Covid大流行之前,英国的患者经常不得不等待几年进行移植。由Perriard和他的团队开发的人造肌肉旨在支持失败的心脏,延迟甚至阻止需要移植的需求。'我们的装置具有另一个重要的优势,因为它围绕主动脉坐落,因此不会进入心脏室或血液,“Perriard说。“因此,该操作比开放性心脏手术更少侵入性,患者不需要服用抗凝血剂以防止血液凝结在该装置周围。

在2021年4月进行的4个小时的手术中,在一头活猪的主动脉上安装了管状驱动器。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。“猪的主动脉直径和人类的差不多,血压范围也差不多,所以猪接近成为我们实验的理想模型,”佩里亚德说。“然而,升主动脉——离心脏最近的部分,需要放置人造肌肉来提供更多的额外能量——却不够长;在这方面,小牛是更接近的模型。临床试验还需要几年的时间,但首批动物试验的成功已经为沃纳西门子基金会(Werner Siemens Foundation)向人工肌肉中心(Center for Artificial muscle)提供了800万瑞士法郎(合650万英镑)的拨款。Perriard的团队正在开发用于两个进一步临床应用的软驱动器:支持尿失禁患者的尿道功能,以及中风后恢复面部表情。

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,便于操作。来自中国深圳南方科技大学(SUSTech)的王宏强和他的同事们正在开发小型驱动器,该驱动器的灵感来自于昆虫大小的机器人的生物肌肉组件。传统的电磁马达相对较重,笨重,很难融入到这种规模的机械中;相比之下,昆虫的肌肉经过了超过5亿年的进化,变得强壮、轻而有可塑性。在分子尺度上,昆虫的肌肉与脊椎动物的非常相似。王解释说:“这些微型驱动器是按照模仿生物肌肉的分层方式设计的,用微型电极阵列代替了肌动蛋白和肌球蛋白丝。”

显示设备的图像

资料来源:©洪强王集团

王宏强的团队从昆虫的肌肉中获得灵感,制造了一种可以像蚯蚓一样爬行的工具(左)和一种可以用于手术的不同工具(右)

sutech的团队已经开发了两种非常不同的微型机器人作为案例研究,以说明他们的想法的多用途性:一种类似蚯蚓的爬行工具,以及一种可用于外科手术的切割工具。第一种有一个非常小的横截面,使它能够爬行通过狭窄的间隙,并可以用于检查或在有毒环境中的搜索和救援。Wang补充道:“我们的机器人可能又薄又灵活,但它的坚固性令人惊讶,比其他类似用途的工具更坚固。”如果你踩上它,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检。”其他潜在的应用可能需要行为像飞行蚂蚁的机器人,例如,这可能是可行的,因为它们包含的驱动器非常轻和灵活。

很明显,设计出具有肌肉功能特性但几乎没有结构特性的材料是可能的,至少在微观水平上是如此;除了这里所描述的驱动器,王的昆虫机器人是唯一与骨骼肌微结构有任何显著特征的驱动器。betway必威游戏下载大全随着我们对肌肉蛋白的作用机制了解的越来越多,很可能会设计出更贴近肌肉蛋白结构的致动器。肌球蛋白只是将ATP中储存的化学能转化为运动的一系列运动蛋白中的一种。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”,将细胞器和大分子复合物作为“载体”。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;有几种具有不同功能的动力蛋白分子,包括卵子和精子细胞的运动。包括艾滋病毒在内的一些病毒劫持动力蛋白,将自己运送到受感染细胞的细胞核。

通过X射线晶体学确定了Kinesin和Dynein结构,该技术用于获得早期肌动蛋白和肌蛋白结构的孔,但最近使用电子显微镜进行了更多的进展。在过去几年中电子显微镜中的“解决方案革命”使我们能够将与微管轨道附加的Dynein分子可视化,'Birkbeck学院的结构生物学家Anthony Roberts说。模拟这些电机蛋白质,并且,也许是具有弹簧状三肽的性质的材料 - 最长,最大的人蛋白质,该蛋白质负责肌肉组织的弹性 - 具有新颖的材料可能为人工肌肉的开发人员提供未来的挑战。

Clare Sansom是英国剑桥的科学作家