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  人造肌肉的研究開始于20世紀(jì)40年代，但真正取得進(jìn)展則是最近10余年的事，這是由于近年來特殊聚合體材料和智能材料的誕生，為人造肌肉的研究提供了新的發(fā)展契機，那些新材料往往具有一些不同凡響的本領(lǐng)。

  一些材料可以根據(jù)電流變化呈現(xiàn)出各種復(fù)雜的狀態(tài)，例如，彎曲、延伸、扭動和收縮等，并且它們的行為非常接近真正的肌肉纖維。開發(fā)人造肌肉不僅對醫(yī)學(xué)具有重大意義，而且對機器人技術(shù)的發(fā)展也至關(guān)重要。

  目前人造肌肉的主流是電活性聚合物、形狀記憶聚合物等基于共價鍵的聚合物，基于超分子的人造肌肉卻少見報道。而在自然界中，肌肉組織中的“蛋白質(zhì)馬達(dá)”——肌球蛋白實際上就是一種由大型蛋白質(zhì)組成的多級超分子組裝體。

  近日，2016年諾貝爾化學(xué)獎得主之一、荷蘭格羅寧根大學(xué)教授Ben L. Feringa及其團隊報道了一種基于小分子光響應(yīng)性分子馬達(dá)的多級超分子自組裝體，實現(xiàn)了類似肌肉的運動。該文發(fā)表于Nature Chemistry 之上，共同第一作者為Jiawen Chen博士和Franco King-Chi Leung博士。

  該超分子系統(tǒng)的基礎(chǔ)依然是該組之前所研究過的具有定向轉(zhuǎn)動功能的分子馬達(dá)，并在其兩端引入憎水和親水基團形成分子馬達(dá)1。因為其具有兩親性，在水溶液中可以自組裝形成納米纖維結(jié)構(gòu)。為了避免諸如結(jié)晶等復(fù)雜的狀況發(fā)生，作者選擇在CaCl2溶液中進(jìn)行試驗，將含有納米纖維的溶液注入CaCl2溶液，得到呈單方向排列的納米纖維束，并基于這些納米纖維束制得“人造肌肉線”。作者設(shè)想，在光照及加熱情況下分子馬達(dá)1發(fā)生光化學(xué)異構(gòu)和熱螺旋反轉(zhuǎn)，由此完成轉(zhuǎn)動循環(huán)（圖1b），并可能將這種微觀層面的運動經(jīng)由多級超分子自組裝系統(tǒng)放大為宏觀層面的運動（圖1a）。

圖1. a）分子馬達(dá)自組裝成納米纖維，排列成納米纖維束和光照彎曲過程的示意圖；b）分子馬達(dá)經(jīng)光照和加熱發(fā)生光化學(xué)異構(gòu)和熱螺旋反轉(zhuǎn)。圖片來源：Nat. Chem.

作者首先研究了一條“人造肌肉線”在水溶液中紫外光（λ = 365 nm）照射下的變化情況。該人造肌肉線可以在60 s內(nèi)朝向光源方向彎曲至90?。值得說明的是，這是在材料整體水含量95%的情況下觀察到的運動，與此前所報道的高分子水凝膠光響應(yīng)性變形相比，超分子人造肌肉線的響應(yīng)速度幾乎高出一個數(shù)量級，而且幅度也更大（圖2a）。超分子人造肌肉線就算連著一個“累贅”的球形末端，一樣可以在光照下彎曲90?（圖2b）。當(dāng)超分子人造肌肉線上的部分區(qū)域被光照時，也都能產(chǎn)生朝向光源方向的彎曲（圖2c）。接著，他們研究了超分子人造肌肉線在彎曲后的恢復(fù)情況，彎曲90?后加熱至50 ℃，3小時內(nèi)就恢復(fù)原狀，繼續(xù)光照依然會出現(xiàn)彎曲（圖2d）。

圖2. 水溶液中超分子人造肌肉線在光照條件下的彎曲及加熱恢復(fù)。圖片來源：Nat. Chem.

  接著，研究者將超分子人造肌肉線從水溶液中取出放置于空氣中，紫外光照同樣很快能夠出現(xiàn)彎曲，在50 s內(nèi)彎曲至90?（圖3a）。為了進(jìn)一步證明其性能，他們在其末端附著了一張0.4 mg的紙片，光照后出現(xiàn)45?的彎曲，經(jīng)計算其做功約為0.05 μJ（圖3b）。雖然看著很不起眼，但這個實驗證明了超分子人造肌肉有能力作為致動器，完全可以將微觀的分子機器轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為宏觀的運動，并完成具體的任務(wù)。

圖3. 空氣中超分子人造肌肉線光照條件下的彎曲，并可拉起紙片。圖片來源：Nat. Chem.

  作者還分析了這種超分子人造肌肉線光響應(yīng)性致動的機理。在光照下，在光照下分子馬達(dá)1發(fā)生光化學(xué)異構(gòu)變成不穩(wěn)定的異構(gòu)體，這種結(jié)構(gòu)變化會導(dǎo)致分子馬達(dá)單元的排除體積增加，并導(dǎo)致自組裝形成的納米纖維直徑增加。超分子人造肌肉線本身體積不變，受到照射的一側(cè)納米纖維直徑增加，相對的軸向長度就會變短，于是光照一側(cè)會發(fā)生收縮。沒有被光照的一側(cè)長度不變，這樣一來超分子人造肌肉線就會整體向著光照方向彎曲（圖4）。

圖4. 超分子人造肌肉線光響應(yīng)性致動的可能機理。圖片來源：Nat. Chem.

  Ben Feringa教授團隊的超分子肌肉系統(tǒng)展示了其獨特的光致動性能，將分子層面的運動放大到宏觀層面，在水溶液中只需要5%的光敏小分子馬達(dá)就能夠完成有效的機械運動，并且在空氣中也獲得了精準(zhǔn)調(diào)控。這項研究給人造機械材料以及機器人的發(fā)展提供了很大的幫助，可能為分子機器的實際應(yīng)用打開了一扇門。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/nchem.2887