Nature Materials | 可打印人工肌肉實(shí)現(xiàn)宏觀運(yùn)動(dòng)

來(lái)源： 上普生物

近期，日本北陸先端科技大學(xué)院大學(xué)的Yuichi Hiratsuka課題組在Nature Materials上發(fā)表題為“A printable active network actuator built from an engineered biomolecular motor”的文章。

摘要：控制單個(gè)分子馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)和力來(lái)執(zhí)行宏觀任務(wù)可以為很多應(yīng)用帶來(lái)實(shí)質(zhì)性的幫助。盡管合成和生物分子馬達(dá)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)運(yùn)動(dòng)，但是將它們有效地集成到執(zhí)行宏觀尺寸的任務(wù)的工程系統(tǒng)中仍然具有挑戰(zhàn)性。本篇文章，我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)能夠進(jìn)行宏觀驅(qū)動(dòng)的類肌肉，該肌肉網(wǎng)絡(luò)由工程化的驅(qū)動(dòng)蛋白、生物分子馬達(dá)和微管分級(jí)組裝而成。這些收縮材料可以在圖案化的紫外線照射形成，這使得這種材料可以輕易與機(jī)械系統(tǒng)和打印系統(tǒng)兼容。通過設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)蛋白絲狀組件，其產(chǎn)生的力達(dá)到了微牛頓級(jí)，從而可以驅(qū)動(dòng)毫米級(jí)的機(jī)械組件。這些功能對(duì)制造具有先進(jìn)功能的軟機(jī)器人系統(tǒng)極有益處。

人工肌肉構(gòu)建方法
類肌肉的主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通過UV光選區(qū)照射生物分子馬達(dá)，從而形成分級(jí)排布結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)工程系統(tǒng)的受控致動(dòng)。雖然光誘導(dǎo)主動(dòng)收縮和自組織活性網(wǎng)絡(luò)先前已有先例，我們采取了由動(dòng)態(tài)應(yīng)力纖維的組件的啟發(fā)的方法。應(yīng)力纖維是由一系列類似于肌肉肉瘤的收縮單位形成的，由互鎖的雙極肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白絲組成。這種分級(jí)組織促進(jìn)了肌球蛋白產(chǎn)生的力的有效放大。應(yīng)力纖維的形成受到生化途徑的嚴(yán)格調(diào)控，以確�；顒�(dòng)（如細(xì)胞遷移）中的細(xì)胞完整性。生化信號(hào)促進(jìn)肌球蛋白絲的組裝，隨后肌球蛋白絲與周圍的肌動(dòng)蛋白絲相互作用形成收縮性應(yīng)力纖維。

活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的收縮單元由微管和兩種基因工程融合蛋白CaMLMM和K465m13組成。CaMLMM是鈣調(diào)蛋白（CaM）和輕質(zhì)肌球蛋白（LMM）的融合體，而K465m13是運(yùn)動(dòng)蛋白kinesin-1和鈣調(diào)蛋白結(jié)合序列m13的融合體。LMM結(jié)構(gòu)域負(fù)責(zé)形成細(xì)胞中雙極型肌球蛋白絲，使得CaMLMM融合體自組裝成雙極絲狀支架。從籠狀分子中光誘導(dǎo)釋放鈣離子后，K465m13結(jié)合到CaMLMM支架上，形成類似于細(xì)胞中肌球蛋白絲的雙極絲。驅(qū)動(dòng)蛋白絲引起微管的滑動(dòng)。收縮單元?jiǎng)討B(tài)地自我組裝成第二層次的組織結(jié)構(gòu)，并形成大規(guī)模的收縮網(wǎng)絡(luò)，然后將其集成到宏觀設(shè)備中。

研究者通過一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此概念的可打印性以及性能，包括各種圖案的收縮運(yùn)動(dòng)和力學(xué)測(cè)試。研究者利用錨固在外部結(jié)構(gòu)上的方法來(lái)測(cè)量柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）懸臂上的收縮活性網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的力。有源網(wǎng)絡(luò)的激活使撓性懸臂彎曲了500 μm以上，對(duì)應(yīng)于2 μN(yùn)的力。該力比單個(gè)驅(qū)動(dòng)蛋白分子產(chǎn)生的力大一百萬(wàn)倍，并且相應(yīng)應(yīng)力比骨骼肌的等軸測(cè)張力小三個(gè)數(shù)量級(jí)。

人工肌肉應(yīng)用
主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生微牛頓范圍力的能力適用于未來(lái)小型機(jī)器人上的高效執(zhí)行器，為證明此類應(yīng)用，研究者驗(yàn)證了不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

毫米級(jí)微型夾具操作，微型夾具在20 s內(nèi)以微牛頓級(jí)的壓力閉合，適用于處理生物樣品。

機(jī)器人手臂彎曲動(dòng)作，該裝置由兩個(gè)剛性框架組成，兩個(gè)剛性框架之間通過柔性接頭相連。激活后，兩個(gè)剛性部件之間的角度減小了40°。

昆蟲機(jī)器人，受控的激活誘發(fā)了模仿真實(shí)昆蟲爬行運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。首先，將左側(cè)的附屬物綁在一起，使右側(cè)的附屬物向前移動(dòng)。破裂后釋放左肢后，以右側(cè)為目標(biāo)進(jìn)行激活。爬行運(yùn)動(dòng)的速度受到活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)破裂時(shí)間的限制，但是可以通過調(diào)整照明區(qū)域相對(duì)于昆蟲主干的大小來(lái)縮短。

齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)，通過將半徑為15 μm的微珠緊密堆積到星形簇中，可以進(jìn)一步擴(kuò)展這種對(duì)較小元素進(jìn)行微處理的能力。

迷宮解決應(yīng)用，除了裝配以外，活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)還可以用于計(jì)算，通過全局UV照明激活了均勻分布的網(wǎng)絡(luò)。合同規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)連接了開始錨和目標(biāo)錨。

未來(lái)展望
目前的主動(dòng)式網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行器可以一次性使用，例如作為擴(kuò)展支架或驅(qū)動(dòng)可攝入的注射裝置（機(jī)器人藥丸）。同時(shí)，通過使用融合蛋白作為層次自組裝的基礎(chǔ)方法，可以應(yīng)用在工程化的雙向運(yùn)動(dòng)蛋白，或是運(yùn)動(dòng)蛋白的自發(fā)振蕩機(jī)制而產(chǎn)生的可逆和自激式收縮系統(tǒng)（如纖毛或昆蟲飛行肌肉）。通過將執(zhí)行器和機(jī)器人框架同時(shí)進(jìn)行3D打印，可以將主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)精確集成到工程系統(tǒng)和宏觀驅(qū)動(dòng)中，從而為制造具有獨(dú)特功能（包括高生物相容性，高生物降解性和潛在可食用性）的機(jī)器人打開了大門。

參考文獻(xiàn)
Nitta, T., Wang, Y., Du, Z., Morishima, K. and Hiratsuka, Y., 2021. A printable active network actuator built from an engineered biomolecular motor. Nature Materials, pp.1-7.