Nature Materials | 可打印人工肌肉實現(xiàn)宏觀運動

來源： 上普生物

近期，日本北陸先端科技大學院大學的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：控制單個分子馬達的運動和力來執(zhí)行宏觀任務可以為很多應用帶來實質(zhì)性的幫助。盡管合成和生物分子馬達已經(jīng)可以實現(xiàn)毫米級運動，但是將它們有效地集成到執(zhí)行宏觀尺寸的任務的工程系統(tǒng)中仍然具有挑戰(zhàn)性。本篇文章，我們實現(xiàn)了一個能夠進行宏觀驅(qū)動的類肌肉，該肌肉網(wǎng)絡由工程化的驅(qū)動蛋白、生物分子馬達和微管分級組裝而成。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械系統(tǒng)和打印系統(tǒng)兼容。通過設計驅(qū)動蛋白絲狀組件，其產(chǎn)生的力達到了微牛頓級，從而可以驅(qū)動毫米級的機械組件。這些功能對制造具有先進功能的軟機器人系統(tǒng)極有益處。

人工肌肉構(gòu)建方法
類肌肉的主動網(wǎng)絡通過UV光選區(qū)照射生物分子馬達，從而形成分級排布結(jié)構(gòu)，進而實現(xiàn)對工程系統(tǒng)的受控致動。雖然光誘導主動收縮和自組織活性網(wǎng)絡先前已有先例，我們采取了由動態(tài)應力纖維的組件的啟發(fā)的方法。應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蛋白絲組成。這種分級組織促進了肌球蛋白產(chǎn)生的力的有效放大。應力纖維的形成受到生化途徑的嚴格調(diào)控，以確�；顒樱ㄈ缂毎�遷移）中的細胞完整性。生化信號促進肌球蛋白絲的組裝，隨后肌球蛋白絲與周圍的肌動蛋白絲相互作用形成收縮性應力纖維。

活動網(wǎng)絡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是運動蛋白kinesin-1和鈣調(diào)蛋白結(jié)合序列m13的融合體。LMM結(jié)構(gòu)域負責形成細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釋放鈣離子后，K465m13結(jié)合到CaMLMM支架上，形成類似于細胞中肌球蛋白絲的雙極絲。驅(qū)動蛋白絲引起微管的滑動。收縮單元動態(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，然后將其集成到宏觀設備中。

研究者通過一系列實驗驗證此概念的可打印性以及性能，包括各種圖案的收縮運動和力學測試。研究者利用錨固在外部結(jié)構(gòu)上的方法來測量柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）懸臂上的收縮活性網(wǎng)絡所產(chǎn)生的力。有源網(wǎng)絡的激活使撓性懸臂彎曲了500 μm以上，對應于2 μN的力。該力比單個驅(qū)動蛋白分子產(chǎn)生的力大一百萬倍，并且相應應力比骨骼肌的等軸測張力小三個數(shù)量級。

人工肌肉應用
主動網(wǎng)絡產(chǎn)生微牛頓范圍力的能力適用于未來小型機器人上的高效執(zhí)行器，為證明此類應用，研究者驗證了不同的應用場景。

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

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

昆蟲機器人，受控的激活誘發(fā)了模仿真實昆蟲爬行運動的運動。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。破裂后釋放左肢后，以右側(cè)為目標進行激活。爬行運動的速度受到活動網(wǎng)絡破裂時間的限制，但是可以通過調(diào)整照明區(qū)域相對于昆蟲主干的大小來縮短。

齒輪嚙合運動，通過將半徑為15 μm的微珠緊密堆積到星形簇中，可以進一步擴展這種對較小元素進行微處理的能力。

迷宮解決應用，除了裝配以外，活動網(wǎng)絡還可以用于計算，通過全局UV照明激活了均勻分布的網(wǎng)絡。合同規(guī)定的網(wǎng)絡連接了開始錨和目標錨。

未來展望
目前的主動式網(wǎng)絡執(zhí)行器可以一次性使用，例如作為擴展支架或驅(qū)動可攝入的注射裝置（機器人藥丸）。同時，通過使用融合蛋白作為層次自組裝的基礎方法，可以應用在工程化的雙向運動蛋白，或是運動蛋白的自發(fā)振蕩機制而產(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)行器和機器人框架同時進行3D打印，可以將主動網(wǎng)絡精確集成到工程系統(tǒng)和宏觀驅(qū)動中，從而為制造具有獨特功能（包括高生物相容性，高生物降解性和潛在可食用性）的機器人打開了大門。

參考文獻
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.