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本周，國際學術頂刊《科學》旗下子刊《科學·機器人學》刊登的文章提到，澳洲臥龍崗大學（UOW）科學家在DNA超螺旋的啟發下開發了一種新型人造肌肉，用于微型機器人應用。
微型人造肌肉可以用來制造先進的假肢和可穿戴設備，幫助受傷或身體殘疾的人行動。此外，也可以用于無創手術工具和工業微型機械手。
論文題目為《受DNA超螺旋啟發的雙高行程和高工作能力人造肌肉（Dual high-strokeand high–work capacity artificial muscles inspired by DNA supercoiling）》。
▍百萬周期性運動，為微型機器人提供強大動能
微型機器人的主要技術挑戰在于如何在小型設備上產生強大的運動和力量，而人造肌肉可以解決這一問題。
研究的主要作者、UOW澳大利亞創新材料研究所的杰弗里·斯賓克斯（Geoffrey Spinks）教授說道：“使用模擬骨骼肌的驅動材料為微型機器人提供動力很有吸引力，但它們太復雜了，無法輕易縮小尺寸。因此，我們期待人造肌肉來為機器人提供良好的機械驅動。”
斯平克斯教授介紹道，人造肌肉支持大幅度動作且易于復原，機械工作高效，可以持續數百萬個周期，非常適合微型機器。
▍靈感來自DNA，超螺旋收縮自如
新型人造肌肉的靈感來自DNA。
斯賓克斯教授說：“我們的新型人造肌肉正是模仿DNA分子收縮到細胞核中時的方式。”
DNA是最堅硬和最長的天然聚合物之一，當要進入微米大小的細胞核中時，厘米大小的DNA必須收縮1000倍以上，通過超螺旋過程減小體積。
“我們能夠通過膨脹扭曲的纖維來制造類似DNA般的纏繞。當纖維末端因旋轉而堵塞時，就會發生超螺旋。超螺旋下，人工肌肉產生了大量機械能。”
聚丙烯酸纖維超螺旋過程
研究小組通過建模對纖維進行了優化，縮小了纖維的尺寸以減少其響應時間，從而最大限度地提高速率和能量輸出。
然后，他們成功地將這些新肌肉用于可能的應用，包括微型剪刀和微型鑷子。
聚酯-聚酰胺復合纖維中螺旋形成超螺旋的過程
▍反應速度提升后，人造肌肉應用場景更豐富
就職于悉尼大學合著者之一西納·納菲奇（Sina Naficy）博士說：“模仿自然界中的行為是非常有趣的。我們已經了解到，形成纖維復合材料的纖維纏繞成螺旋提供了一個方便的方式來存儲和釋放機械能。自然界中有許多這樣的螺旋復合物，從DNA分子到植物卷須。這些系統為未來的發展提供了令人興奮的前景。”
這篇研究論文的另一位合著者、UOW工程與信息科學學院的賈瓦德·福洛伊（Javad Foroughi）博士說：“新人造肌肉的作用相當緩慢，限制了它的應用場景，因此我們下一個目標是加快反應速度。”研究團隊已使用水凝膠來推動超螺旋的體積變化。
聚酯-聚酰胺復合纖維中螺旋解除超螺旋的過程
斯賓克斯教授說：“我們確實相信，制造直徑更小的纖維可以提高速度，但目前，這種應用僅限于那些需要較慢響應的纖維。”“開發更快的超螺旋肌肉將開辟進一步的應用領域。我們希望其他人將探索不同的方法來產生體積變化，例如通過電加熱導致更快的響應。”
▍結語：新型人造肌肉應用場景更為廣泛
DNA超螺旋啟發下的人造肌肉具有高彈性，行為非常接近真正的肌肉纖維，不僅對醫學具有重大意義，而且對機器人技術的發展也至關重要。
隨著特殊聚合體材料和智能材料的不斷研發，人造肌肉的伸縮、彎曲、扭動、收縮等狀態將更為靈活，在醫學、機器人學等領域發揮更大效能。
責任編輯：lq
