Nature Materials | 可打印人工肌肉实现宏观运动

来源： 上普生物

近期，日本北陆先端科技大学院大学的Yuichi Hiratsuka课题组在Nature Materials上发表题为“A printable active network actuator built from an engineered biomolecular motor”的文章。

摘要：控制单个分子马达的运动和力来执行宏观任务可以为很多应用带来实质性的帮助。尽管合成和生物分子马达已经可以实现毫米级运动，但是将它们有效地集成到执行宏观尺寸的任务的工程系统中仍然具有挑战性。本篇文章，我们实现了一个能够进行宏观驱动的类肌肉，该肌肉网络由工程化的驱动蛋白、生物分子马达和微管分级组装而成。这些收缩材料可以在图案化的紫外线照射形成，这使得这种材料可以轻易与机械系统和打印系统兼容。通过设计驱动蛋白丝状组件，其产生的力达到了微牛顿级，从而可以驱动毫米级的机械组件。这些功能对制造具有先进功能的软机器人系统极有益处。

人工肌肉构建方法
类肌肉的主动网络通过UV光选区照射生物分子马达，从而形成分级排布结构，进而实现对工程系统的受控致动。虽然光诱导主动收缩和自组织活性网络先前已有先例，我们采取了由动态应力纤维的组件的启发的方法。应力纤维是由一系列类似于肌肉肉瘤的收缩单位形成的，由互锁的双极肌球蛋白和肌动蛋白丝组成。这种分级组织促进了肌球蛋白产生的力的有效放大。应力纤维的形成受到生化途径的严格调控，以确保活动（如细胞迁移）中的细胞完整性。生化信号促进肌球蛋白丝的组装，随后肌球蛋白丝与周围的肌动蛋白丝相互作用形成收缩性应力纤维。

活动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结构域负责形成细胞中双极型肌球蛋白丝，使得CaMLMM融合体自组装成双极丝状支架。从笼状分子中光诱导释放钙离子后，K465m13结合到CaMLMM支架上，形成类似于细胞中肌球蛋白丝的双极丝。驱动蛋白丝引起微管的滑动。收缩单元动态地自我组装成第二层次的组织结构，并形成大规模的收缩网络，然后将其集成到宏观设备中。

研究者通过一系列实验验证此概念的可打印性以及性能，包括各种图案的收缩运动和力学测试。研究者利用锚固在外部结构上的方法来测量柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）悬臂上的收缩活性网络所产生的力。有源网络的激活使挠性悬臂弯曲了500 μm以上，对应于2 μN的力。该力比单个驱动蛋白分子产生的力大一百万倍，并且相应应力比骨骼肌的等轴测张力小三个数量级。

人工肌肉应用
主动网络产生微牛顿范围力的能力适用于未来小型机器人上的高效执行器，为证明此类应用，研究者验证了不同的应用场景。

毫米级微型夹具操作，微型夹具在20 s内以微牛顿级的压力闭合，适用于处理生物样品。

机器人手臂弯曲动作，该装置由两个刚性框架组成，两个刚性框架之间通过柔性接头相连。激活后，两个刚性部件之间的角度减小了40°。

昆虫机器人，受控的激活诱发了模仿真实昆虫爬行运动的运动。首先，将左侧的附属物绑在一起，使右侧的附属物向前移动。破裂后释放左肢后，以右侧为目标进行激活。爬行运动的速度受到活动网络破裂时间的限制，但是可以通过调整照明区域相对于昆虫主干的大小来缩短。

齿轮啮合运动，通过将半径为15 μm的微珠紧密堆积到星形簇中，可以进一步扩展这种对较小元素进行微处理的能力。

迷宫解决应用，除了装配以外，活动网络还可以用于计算，通过全局UV照明激活了均匀分布的网络。合同规定的网络连接了开始锚和目标锚。

未来展望
目前的主动式网络执行器可以一次性使用，例如作为扩展支架或驱动可摄入的注射装置（机器人药丸）。同时，通过使用融合蛋白作为层次自组装的基础方法，可以应用在工程化的双向运动蛋白，或是运动蛋白的自发振荡机制而产生的可逆和自激式收缩系统（如纤毛或昆虫飞行肌肉）。通过将执行器和机器人框架同时进行3D打印，可以将主动网络精确集成到工程系统和宏观驱动中，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。

参考文献
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.