比如我们可以建造一个汽车发动机,但是想把发动机缩小到微米甚至纳米尺度就会很难。但是,肌肉则完全不同,任何一根肌肉纤维,即使再小,都可以在信号的作用下独立收缩美高梅注册,——它似乎无需借助任何动力机械和结构,给点能量,它就这么动起来了,可以说是给点阳光就灿烂的典范了。

肌肉,大家一定都很熟悉。

肌肉的神秘之处在于,它是通过与人造机器完全不同的方式产生的动作。大部分人造机器中的动作,究其根本都来自电动机、蒸汽机和内燃机之类的动力机械,而这类机械的结构在尺度上可以缩到很小,但不能缩到极小,很难在微纳米尺度下实现。

不能吃的人造鸡肉肌肉,用来做什么?

人类对肌肉收缩问题的思考从19世纪就开始了,然而直到近年来科学家们才通过一系列研究逐渐清晰地展示了这个过程。在动物的肌肉组织中,细胞内的肌动蛋白丝借助一个被称为“交叉桥循环”的复杂分子生物学过程消耗能量(ATP)并产生张力,无数肌动蛋白的共同作用,最终在宏观上表现出肌肉的收缩\[1\]

美高梅注册 1图片来源:gyphy.com

为什么要研究肌肉?或者说,我们为什么需要人造肌肉呢?

当然不是用来吃的。

随着机器人技术的发展,人们希望能够制作出更加精巧的机器人,让这些机器能够像肌肉一样在微观尺度上产生动作。于是,“人造肌肉”就成为了相关领域研究的热门。天然的肌肉是由蛋白质等大分子构建的一架精巧的机器,人类尚未完全理解,遑论驾驭和制造。因此,对于人造肌肉的研究,科学家们希望能另辟蹊径,构造出一种类似于肌肉的结构,使它能够在特定环境下和刺激下,像真正的肌肉一样产生动作和反应。现在,人们发现了一种基于小分子组装的方式可以模拟肌肉,并在前不久将它发表在了《自然-化学》(Nature
Chemistry
)杂志上\[2\]

小分子组装,顾名思义,就是把小分子按照一定的方式组装在一起形成宏观的结构,这就好比把一片一片的乐高积木拼起来变成“千年隼号”模型。

美高梅注册 2图片来源:lego.com

这种完全利用小分子组装而成的结构有着神奇的特性,在光照的刺激下,用它拉制成型的纤维如同一个马达,能够自发地向光照方向弯曲。这个弯曲的力量很可观,即使给它挂上一个重物,这根小纤维也能带着重物一起移动。

美高梅注册 3(a)图展示了在水溶液中的纤维被照射60秒内的变化情况。光源从左侧照射,纤维便弯向左侧。(b)图展示了纤维下段吊一个球体时,光照下,球体仍然能在60秒内弯曲到90度。(c)图展示了从交替两个方向照射能够使纤维弯曲形成锯齿形。(d)图展示了纤维被照射后在50摄氏度保持3小时后恢复,再次照射能够再次弯曲。图片来源:参考文献2

参考文献:

  1. Spudich J A. The myosin swinging cross-bridge model[J]. Nature
    Reviews Molecular Cell Biology. 2001, 2(5): 387-392.
  2. Chen J, Leung F K, Stuart M C A, et al. Artificial muscle-like
    function from hierarchical supramolecular assembly of
    photoresponsive molecular motors[J]. Nature Chemistry. 2017.

“骨骼清奇”的人造肌肉是怎么做出来的?

看似神奇的现象来自于科学家们对分子结构和组装方式的逐级设计,如果还用乐高来类比的话,就是设计用什么形状的积木片以及这些积木片如何拼插在一起。这些研究们首先设计了一种能在光照下发生变形的分子,在纳米尺度上,这类分子能够在溶液中自动排成队,组装成纳米纤维状,这些纳米纤维又在厘米尺度的拉丝工艺中定向排列成肉眼可见的宏观纤维。

美高梅注册 4图中展示了不同尺度的分子组装。左一是前面说的光照下会变化的分子,整体呈现出长条形。这种分子在水溶液中能按照一定方向自行排列成圆圈,组装成左二棒状的纳米纤维,左二的纳米纤维又在拉丝工艺中定向排列成为具有宏观长度的纤维丝(左三),而每一根纤维丝定向弯曲的结果能够模拟宏观上的肌肉运动了(左四)。

那么,这样的纤维为什么会呈现出光照后变弯的现象呢?弯曲来自于独特的分子设计和分子变形的积累。研究者们选取的分子有一个独特的性质,就是在光照射下会变长,而失去光照,加热一段时间后又会恢复原状。当光照射到纤维上时,在最为微观的分子层面,受到光照的分子长度变长;而在纳米纤维的尺度级别,由于分子的向心排列,分子长度的变长就会导致纳米纤维直径的变粗,同时由于体积不变,纳米纤维在长度方向就会发生一些收缩,也就是从瘦长变成了矮胖;在很多纳米纤维同向排列形成的宏观纤维中,就表现为受到光照侧的纤维变短,不受光照的纤维长度不变,就发生了纤维向光照方向弯曲的情况。

美高梅注册 5上方两个图展示了俯视的角度上,分子受到光照后的形状变化。而下方的两个图则展示了分子长度变化如何影响纳米纤维的直径。

就是运用这样的原理,人们构造出了一类新的产生动作的方法。这既不同于传统机械领域使用动力机械产生动作,也不同于生物工程中在天然结构上加以改造为我所用产生动作。新的精巧设计指出了一种将其他能量转化为机械能的新路。在微观尺度上,即使不借助生物技术,我们仍然能够构造出对外界信号产生响应的“人造肌肉”类材料。着眼未来,这类材料将能够为柔性机器人和新型机械材料的设计提供新的启发和思路:也许有一天,我们真的可以完全设计出人造的肌肉,人造的骨骼,人造的大脑,从而以一种完全不同的方式组装出人造的生命。

化学技术的发展,也许让我们拥有了窥探上帝的能力。(编辑:婉珺)

人的日常运动都离不开各个肌肉的协同工作,人的食物里肌肉也占据了重要的部分。关于与我们朝夕相处难以分割的肌肉,有一个古老而又迷人的问题:肌肉是如何运动的?

美高梅注册 6比如这种,emmmm,图里这个人其实是果壳网的编辑。摄影:麒麟

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