華南理工周奕彤課題模仿染色體，造出可編程結構的高負載人造肌肉

讓軟體機器人既擁有大變形能力，又具備強勁的負載力，一直是科學家們頭痛的難題。這背后，是傳統人造肌肉結構中的一道“先天枷鎖”：要想變形大，結構就得松；要想力氣大，結構就得緊。

最近，華南理工大學周奕彤課題組（課題組網站：http://www.zhouyitonglab.com/index.html）從生命最精密的的“壓縮程序”染色體身上找到了關鍵靈感。他們模仿染色體多層次螺旋折疊的結構，在單根聚合物纖維中，首次實現了可編程的多級螺旋結構，一舉突破了人造肌肉中“大變形”與“高負載”不可兼得的經典困境。這項突破性研究于近期已發表在材料科學知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

▍靈感來源：生命自帶的“壓縮算法”

為什么染色體能成為靈感源泉？想象一下，長達數米的DNA鏈如何有序地折疊進微米級的細胞核里？答案就是多層次螺旋結構。染色體通過一級又一級的螺旋折疊，在實現萬倍以上壓縮的同時，保持了結構的穩定和特定部分的快速解旋讀取能力。這種在極致緊湊與按需存取之間取得的平衡，正是高效人造驅動系統所追求的終極目標。

研究團隊思考：能否將這種精妙的“結構編程”思想，應用到人造肌肉上？于是，他們開始嘗試在一根纖維里，構筑類似的“螺旋套螺旋”的層級世界。

▍編程一根纖維：三級螺旋，可控變形

研究團隊選用常見的銀涂層尼龍纖維作為“畫布”，通過精確控制扭轉、盤繞和熱處理，像編寫程序一樣，在纖維內部構建出不同層級的螺旋結構。

一級螺旋：就像把一根繩子擰成一股麻花再盤成彈簧，這是傳統人造肌肉的基本形態。

二級螺旋：把一根已經盤好的彈簧作為新繩索，再次盤繞成更大的彈簧，結構立刻復雜起來。

三級螺旋：將二級結構進行第三次盤繞，形成極其復雜的“彈簧的彈簧的彈簧”。

這種“俄羅斯套娃”結構的神奇之處不止于此，真正的編程在于控制每一級螺旋的盤繞方向。就像螺絲有左旋右旋，每一級螺旋的旋向組合，決定了肌肉最終的變形行為。

研究團隊首次在單根纖維內，實現了從一級到三級的螺旋結構，并精確控制了各級的手性。

本研究中，在一個三級螺旋結構內，他們就成功組合出4種不同的手性模式，分別為PPP（同手性）、PPN、PNP和PNN。不同的手性組合，決定了纖維在受熱（電熱驅動）時的變化，有的整體收縮，有的整體伸長，更有趣的是，有的在收縮的同時徑向變細。

這意味著，同一根纖維，可以通過結構編程，擁有收縮、伸長、扭轉、徑向變形等多種復雜的變形模式。

▍性能突破：“魚”與“熊掌”終于兼得

這種仿生設計帶來了前所未有的性能表現。

首先，它打破了經典的“力與形”權衡魔咒。

傳統的一階螺旋肌肉在收縮一半時，負載能力只有0.4 MPa。而新開發的二階螺旋肌肉在同樣收縮幅度下，負載能力飆升至3.6MPa，提升了整整9倍。同時，它的最大收縮幅度高達88.1%，絲毫不遜色。這意味著，它既能像橡皮筋一樣大幅收縮，又能像鋼纜一樣提起重物。

其次，變形能力達到新極端。

對于需要模擬肌肉拉伸的場景，研究團隊編程出“異手性”結構。其中，二階螺旋肌肉的最大伸長率達到了驚人的860.7%。什么概念？就是說1厘米的材料可以拉長到9.6厘米以上。而三階肌肉在無負載時，自由收縮率也輕松突破85%。

再者，它又快又耐用。

在快速電脈沖驅動下，這種肌肉響應迅速，功率密度高。研究數據顯示，在一般負重下（0.8 MPa），傳統結構肌肉的收縮速度要快上大約16%，好比短跑起步更快。然而，當負重增加到原來的5倍時（4 MPa），情況發生了逆轉：新型的二級螺旋肌肉后勁更足，反超了對手。這說明它的復雜結構在高壓環境下，能更聰明地消化內部摩擦和應力，表現得更穩健。

它不僅有力，還具備持久的耐性。二級螺旋肌肉掛著20克重物，以每分鐘2-3次的頻率，連續收縮伸展了1000次，其動作幅度波動始終未超過1%，穩定性極高。更神奇的是，即便它曾被50克的重物反復“鍛煉”過，當重量減輕回5克后，它的形態也恢復了97.5%。

這證明它的“疲勞”主要是一種可逆的、類似橡皮筋用久后暫時的松弛，而不是永久性的內部損傷，因此擁有很長的使用壽命。

▍從纖維到機器人：一場編程驅動的變形秀

為了直觀展示這種可編程肌肉的強大，團隊進行了幾個令人印象深刻的演示。

• 單纖維驅動的仿生肘關節

研究團隊在一根肌肉上，一段編程為受熱收縮（同手性），另一段編程為受熱伸長（異手性）。然后將這根纖維像真正的肱二頭肌和肱三頭肌一樣，分別固定在仿生臂的內外側。

通電后，這根“二合一”的肌肉獨立工作又完美協同，帶動機械臂流暢地完成了超過116度的彎曲。一根纖維，就替代了整個復雜的拮抗肌驅動系統。

• 像蚯蚓一樣蠕動的機器人

通過在單根肌肉上交替編碼收縮段和伸長段，研究團隊制造了一條軟體蠕蟲。

在熱刺激下，伸長段向前探出，收縮段隨后強力拉動身體，結合螺旋結構產生的摩擦，機器人成功在狹窄的玻璃管中實現了前進。這為未來開發用于管道檢查或體內送藥的微型機器人提供了全新思路。

• 抓握更聰明的仿生軟手指

更進一步，研究團隊在同一根肌肉的不同位置，編碼了結構簡單的一階段和結構復雜的二階段。一階段更柔軟、響應快，二階段更剛硬、力量大。用這種混合編程肌肉驅動的軟體手指，在抓握時能自動產生更自然的彎曲梯度，更靈巧地包裹住物體，適應性遠超均勻結構的手指。

基于此，團隊還開發了功能完整的仿生機械手系統，能穩定抓取直徑25-65毫米、重量5-57克的各種物體。

▍未來：機器人設計或將進入“纖維編程”時代

這項研究的深遠意義，在于它提供了一種全新的軟體機器人設計與驅動范式。

傳統方法中，要實現復雜動作，需要組合多個驅動器、設計復雜的機械結構或編寫繁復的控制算法。而現在，科學家證明，通過在一根纖維的內部結構上進行“幾何編程”，預先定義好不同區段的變形模式和力學性能，就能用最簡潔的單元，實現最豐富的功能。

未來，工程師或許可以像編寫軟件程序一樣，設計和打印出具有特定運動功能的肌肉纖維，再將它們像編織布料一樣集成起來，快速構建出能適應各種任務的軟體機器人。從深海探測的仿生魚鰭，到醫療康復的輕柔外骨骼，再到探索外星地形的自適應車輪，可能性的大門正被這項源自染色體智慧的技術緩緩推開。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.5c19885