DNA超级螺旋启发！科学家开发出新型人工肌肉，微型机器人机械驱动更高效

伍伦贡大学(UOW)的研究人员模仿了DNA的超螺旋特性，开发了一种新型人工肌肉，用于微型机器人的应用。他们的研究昨日发表在《科学机器人》（Science Robotics）杂志上。

机器人技术的小型化（比如为远程机器人手术开发微型工具）面临的挑战之一，是传统的机械驱动系统(或“驱动器”)很难在不损失性能的情况下缩小体积。

该研究的第一作者，来自UOW澳大利亚创新材料研究所的杰弗里·斯平克斯（Geoffrey Spinks）教授说，人工肌肉可以产生巨大的可逆运动，实现高机械功输出，反应迅速，持续数百万次循环，是微型机器的理想选择。

“电动机太复杂了，无法缩小，所以我们希望人工肌肉能够提供紧凑的机械驱动。”他指出：“微型人造肌肉阵列可以用来制造先进的假肢和可穿戴设备，帮助人们在身体残疾或受伤时行动。微型驱动器还可以用于非侵入性手术和工业上的微型机械手。”

这种新型人造肌肉的灵感来自大自然。为了将DNA“打包”塞进细胞核，DNA必须收缩1000倍以上，这在一定程度上是通过一种叫做“超级螺旋”（supercoiling）的过程实现的。

斯平克斯教授说:“我们的工作描述了一种新型人工肌肉，它模仿了DNA分子挤进细胞核时瓦解的方式。”

研究团队通过建模优化和膨胀了扭曲的纤维，以最大限度地提高行程和工作输出，并缩小了纤维的尺寸以减少其响应时间。然后，他们成功地对新肌肉的可能应用进行了试验，包括“微型剪刀”和“微型镊子”。

据悉，其机械驱动响应时间缩短了90%，最大重量功比骨骼肌高36倍。

合著者、目前在悉尼大学的Sina Naficy博士说:“观察自然界发生的事情，并能够在合成系统中模仿这些行为是非常有趣的。我们已经知道，在纤维缠绕成螺旋状的地方形成纤维复合材料提供了一种方便的方法来存储和释放机械能。自然界中有很多这种螺旋复合材料的例子，从DNA分子到植物卷须。这些系统为未来的发展提供了令人兴奋的前景。”

该研究论文的另一位合著者、UOW工程与信息科学学院的Javad Foroughi博士表示，新肌肉的活动相当缓慢，目前限制了它们的应用，所以下一个挑战是加快反应速度。Foroughi博士说:“我们已经使用水凝胶来产生体积变化，从而驱动超级盘绕，但这种反应天生就很慢。”

译/前瞻经济学人APP资讯组

参考来源：https://techxplore.com/news/2021-04-scientists-artificial-muscle-dna-supercoiling.html

论文链接：http://robotics.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/scirobotics.abf4788