DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)堪稱科學(xué)發(fā)展歷程中的里程碑。而通過模擬這種復(fù)雜的遺傳分子結(jié)構(gòu)，我們又發(fā)現(xiàn)了一種使人造肌肉纖維更上一層樓的新方法，有望在各類微型機(jī)構(gòu)（例如假肢及機(jī)器人手臂等裝置）上發(fā)揮作用。

螺旋的力量

除了DNA之外，自然界中還存在著多種其他螺旋結(jié)構(gòu)。翻開任何一本生物學(xué)教科書，我們都能看到大量螺旋——從蛋白質(zhì)中的阿爾法螺旋、到纖維蛋白聚集體（例如頭發(fā)角質(zhì)蛋白）中的卷曲螺旋等。

螺旋體等細(xì)菌也擁有螺旋形結(jié)構(gòu)。甚至植物的細(xì)胞壁，也包含大量以螺旋形式排列的纖維素纖維。

肌肉組織同樣由螺旋狀包裹的蛋白質(zhì)組成，并由蛋白質(zhì)形成細(xì)絲。既然如此，螺旋結(jié)構(gòu)是不是真的具有某種進(jìn)化優(yōu)勢(shì)？

這些自然衍生出的螺旋結(jié)構(gòu)，大多與運(yùn)動(dòng)有著千絲萬(wàn)縷的關(guān)聯(lián)。例如種莢的打開，樹干、舌尖與觸手的扭曲等等。這類系統(tǒng)不約而同地采用一種共通的結(jié)構(gòu)：將螺旋形纖維嵌入柔軟的基質(zhì)當(dāng)中，由此實(shí)現(xiàn)彎曲、扭曲、伸長(zhǎng)、縮短或盤繞等復(fù)雜動(dòng)作。

這種能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形變的功能性優(yōu)勢(shì)，似乎正是螺旋普遍存在于自然界中的原因。

纏繞的纖維

十年之前，我曾從事過人工肌肉的設(shè)計(jì)，并由此對(duì)螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行過一番深入研究。我和同事們發(fā)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)單方法，只需將合成紗線加捻纏繞，即可制成強(qiáng)大的旋轉(zhuǎn)人造肌肉纖維。

通過加熱、吸引小分子物質(zhì)或充電令紗線體積膨脹、擴(kuò)大體積，這些紗線纖維即可完成解捻并旋轉(zhuǎn)起來(lái)。而在收縮過程中，纖維又會(huì)重新回歸纏繞狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)證明，這些纖維能夠驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子以每分鐘11500轉(zhuǎn)的速度快速旋轉(zhuǎn)。雖然纖維很小，但卻足以產(chǎn)生與大型電動(dòng)機(jī)相同的單位質(zhì)量扭矩。

關(guān)鍵在于，我們需要保證紗線中螺旋排列的細(xì)絲堅(jiān)硬可靠。紗線體積膨脹的過程中，各條細(xì)絲都必須能夠順利延長(zhǎng)、或者說解捻。而在達(dá)到細(xì)絲延伸長(zhǎng)度的極限之后，即相當(dāng)于解捻完成。

DNA中的奧秘

最近，我意識(shí)到DNA分子的活動(dòng)與我們的紗絲解捻過程非常相似。研究單個(gè)DNA分子的生物學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在向DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)添加小分子物質(zhì)時(shí)，雙鏈DNA也會(huì)同樣解捻。

DNA的骨架是名為糖磷酸酯的分子剛性鏈，因此在插入小分子將兩條DNA鏈彼此推開時(shí)，雙螺旋結(jié)構(gòu)也就完成了解捻。實(shí)驗(yàn)還表明，如果將DNA的末端束縛起來(lái)以阻止其旋轉(zhuǎn)，則解捻過程會(huì)產(chǎn)生“超螺旋”結(jié)構(gòu)：DNA分子構(gòu)成一條圍繞自身的環(huán)。

事實(shí)上，特殊的幾種蛋白質(zhì)會(huì)在我們的細(xì)胞中產(chǎn)生調(diào)節(jié)超螺旋，從而將DNA分子堆疊至微小的核當(dāng)中。

我們?cè)谌粘Ｉ钪幸步?jīng)常能接觸到超螺旋結(jié)構(gòu)——例如當(dāng)花園里灌水的軟管纏結(jié)時(shí)，對(duì)任何一條長(zhǎng)管的加捻都會(huì)產(chǎn)生超螺旋。這種情況在紡織工藝中被稱為“股線扭結(jié)”、在線纜布置中則被稱為“纏結(jié)”。

超螺旋增強(qiáng)“人造肌肉”強(qiáng)度

我們的最新研究結(jié)果表明，可以通過引導(dǎo)預(yù)捻紡織纖維膨脹以產(chǎn)生類似于DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)。我們使用兩根滌綸縫紉線制成復(fù)合纖維，并為其分別涂上水凝膠（接觸水后會(huì)膨脹），再對(duì)二者進(jìn)行加捻。

水凝膠在接觸水后會(huì)溶脹，令復(fù)合纖維膨脹并產(chǎn)生解捻。但如果將纖維末端夾緊了阻斷解捻，纖維本身則構(gòu)成超螺旋結(jié)構(gòu)。

結(jié)果就是，纖維的長(zhǎng)度縮短至原始長(zhǎng)度的十分之一。在收縮過程中，其做出的機(jī)械功相當(dāng)于每克干纖維1焦耳的能量。

相比之下，以人類為代表的哺乳動(dòng)物的肌肉纖維只能完成20%左右的肌肉纖維收縮比例，每克質(zhì)量的功率輸出為0.03焦耳。換句話說說，同等直徑的超螺旋纖維能夠?qū)崿F(xiàn)30倍于人體肌肉的輸出功率。

為什么要使用人造肌肉？

人造肌肉材料在受限空間的應(yīng)用場(chǎng)景下意義重大。例如，最新型的機(jī)動(dòng)義肢手臂雖然令人印象深刻，但在靈活性上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法與真手相比。要想順暢模擬健康人體的運(yùn)動(dòng)、抓取與力量輸出效果，必須向其中引入更多執(zhí)行器。

但電動(dòng)機(jī)自身的體積越小，輸出的功率也會(huì)大大降低，這就導(dǎo)致我們無(wú)法在義肢或其他微型設(shè)備中使用傳統(tǒng)電驅(qū)結(jié)構(gòu)。而相比之下，人造肌肉在小尺寸下仍能維持較高的做功能力與功率輸出。

為了探索其他潛在應(yīng)用，我們嘗試使用超螺旋肌肉纖維操作微型鑷子。這類工具有望成為下一代非侵入性手術(shù)或機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的重要組成部分。

過去十年以來(lái)，研究人員曾先后推出多種新型人造肌肉方案。考慮到現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景對(duì)于這類小/微型機(jī)械設(shè)備的旺盛需求，人造肌肉已經(jīng)成為高度活躍的研究領(lǐng)域。盡管這個(gè)方向已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但我們?nèi)匀粵]能打造出與天然肌肉完全對(duì)等的人造肌肉：高收縮率、速度快、效率高、使用壽命長(zhǎng)、靜音以及能夠與人體安全接觸等。

通過引入新的超螺旋、高收縮率設(shè)計(jì)機(jī)制，這種前所未有的人造肌肉也許幫助我們?cè)谔剿鞯缆飞线~出了重要的一步。目前相關(guān)研究仍在緩慢推進(jìn)，但我們似乎看到了人造肌肉實(shí)現(xiàn)響應(yīng)速度飛躍的勝利曙光。期待在未來(lái)的探索中，超螺旋結(jié)構(gòu)能給我們帶來(lái)更多新的驚喜。