人造肌肉登上Nature Materials！
奇物论
2021-04-27
扩大分子马达在纳米尺度上的作用，以驱动宏观工程系统，将为包括机器人在内的许多应用铺平道路。组装成凝胶和线的合成分子马达在光照下表现出毫米级的收缩和弯曲。生物分子马达，如肌球蛋白和驱动蛋白，已经被成功地集成到微型器件中，由于其通过分层自组装和高能量转换效率的可伸缩性，特别有希望能用于驱动宏观工程系统。尽管毫米尺度的活性网络的收缩和由生物分子马达自组装的百微米尺度束的纤毛样跳动已经被证实，但是有效地将活性网络整合到工程系统中并产生足够大的力来驱动宏观组件仍然是一个挑战。鉴于此，受应力纤维动态组装的启发，日本北陆先端科技大学院大学Yuichi Hiratsuka等研究人员采取了与以往不同的方法。他们通过设计一种与3D打印技术或增材制造技术兼容的新型活性网络来应对这一挑战，朝着实现所提出的应用（如智能材料和无约束机器人）迈出了一步。成果发表在Nature Materials上。
该活性网络的收缩单元由微管和两种基因工程融合蛋白CaMLMM和K465m13组成。CaMLMM是钙调蛋白（CaM）和轻质肌球蛋白（LMM）的融合体，而K465m13是运动蛋白kinesin-1和钙调蛋白结合序列m13的融合体。LMM结构域负责细胞中双极型肌球蛋白丝的形成，导致CaMLMM融合体自组装成双极丝状支架。在从笼状分子中光诱导释放钙离子后，K465m13与CaMLMM支架结合，导致形成类似于细胞中肌球蛋白丝的双极丝（以下称为驱动蛋白丝）。驱动蛋白丝然后引起微管的滑动。收缩单元动态地自我组装成第二级的层次组织，并形成大规模的收缩网络，然后将其集成到宏观设备中。通过生物化学方法和透射电子显微镜观察证实了驱动蛋白丝的形成。为了验证光诱导的收缩，将两种融合蛋白，微管和笼中钙封闭在一个圆形室中。在照亮整个腔室时，形成了活动网络并显示出收缩。收缩后活动网络的大小是其原始大小的六分之一，并且微管密度足够高，以至于在明视野显微镜下都可以看到。这些测试证明了活性网络的可打印性，即，活性网络能够在任意形状和时间的光信号之后进行自组装。作为迈向大型设备的第一步，研究人员研究了X形腔中可收缩活性网络和两个微柱之间的相互作用。收缩开始时，活性网络围绕柱子缠绕并在柱子之间形成束。在束中，微管沿其最长轴对齐。最终，束破裂，然后迅速收缩，表明束确实在柱子上施加了力。该实验证明了可收缩主动网络通过机械互锁与外部结构相互作用的能力。活性网络产生微牛顿范围力的能力表明其适用于需要不受限制的高效执行器的小型机器人应用。在几个复杂性不断提高的系统中，该活性网络有潜力用作未来机器人的执行器。例如毫米级微型夹具。活性网络也可以用于加入单独的组件和计算。研究人员还通过实验方法严格研究了收缩机制。表明CaMLMM细丝上的K465m13的丝状形式和大量结合位点可能有助于产生较大的作用力。此外，研究人员利用计算机模拟研究了通过双向运动蛋白实现活性网络可逆收缩和扩展的可行性。活性网络表现出与双向运动蛋白运动一致的反复收缩和伸展周期。有趣的是，在进行力测量之前，反复的收缩和伸展使活性网络变得均匀，并因此具有抗破裂的弹性，从而增加了最大的力，这让人联想到双网络的“肌肉训练”水凝胶。目前的活性网络执行器可以一次性使用，例如，作为扩展支架和用于驱动可摄入的注射装置（机器人药丸）。尽管如此，实现可逆性将有助于实现建议的应用程序。通过将执行器和机器人框架同时进行3D打印，可以将活性网络精确集成到工程系统中，并实现宏观驱动，从而为制造具有独特功能（包括高生物相容性，高生物降解性和潜在可食用性）的机器人打开了大门。Nitta, T., Wang, Y., Du, Z. et al. A printable active network actuator built from an engineered biomolecular motor. Nat. Mater. (2021).https://doi.org/10.1038/s41563-021-00969-6
