澳大利亚卧龙岗大学(UOW)的科学家开发了一种新型人工肌肉，其灵感来自于脱氧核糖核酸超螺旋，可用于微型机器人应用。
微型人造肌肉可以用来制造先进的假肢和可穿戴设备，以帮助受伤或身体残疾的人移动。此外，它还可以用于无创手术工具和工业微型机械手。
论文题目是《受 DNA 超螺旋启发的双高行程和高工作能力人造肌肉(Dual high-stroke and highwork capacity artificial muscles inspired by DNA supercoiling)》。
一百万次周期性运动为微型机器人提供了强大的动能
微型机器人的主要技术挑战在于如何在小型设备上产生强大的运动和力量，人工肌肉可以解决这个问题。
这项研究的主要作者、澳大利亚创新材料研究所的杰弗里斯斯宾克斯教授说：“使用模拟骨骼肌的驱动材料来驱动微型机器人是有吸引力的，但是它们太复杂了，不容易缩小尺寸。因此，我们期望人造肌肉能为机器人提供良好的机械驱动。”
斯宾克斯教授介绍，人造肌肉支持大规模运动，容易恢复。它们工作效率高，可以持续数百万个周期，非常适合微型机器。
第二，灵感来自DNA，超螺旋自由收缩
这种新型人工肌肉的灵感来自于DNA。
斯宾克斯教授说：“我们新的人工肌肉模仿了DNA分子收缩进入细胞核的方式。”
DNA是最坚硬最长的天然聚合物之一。当进入微米级的细胞核时，厘米级的DNA必须收缩1000倍以上，并通过超螺旋过程缩小体积。
“我们可以通过扩张扭曲的纤维来制造类似DNA的缠结。当纤维末端因旋转而堵塞时，就会出现超卷曲。在超螺旋下，人造肌肉产生大量机械能。”
研究小组通过建模优化了光纤，并减小了光纤的尺寸以减少其响应时间，从而最大化了速度和能量输出。
然后，他们成功地将这些新肌肉用于可能的应用，包括微型剪刀和微型镊子。
第三，反应速度提高后，人工肌肉的应用场景更加丰富
在悉尼大学工作的合著者之一西纳纳菲西博士说：“模仿自然界的行为非常有趣。我们已经了解到，将形成纤维复合材料的纤维缠绕成螺旋形提供了储存和释放机械能的便利方式。自然界中有很多这样的螺旋复合体，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贾瓦德福罗吉(Javad Foroughi)博士表示：“新型人工肌肉的作用相当缓慢，这限制了它的应用场景，因此我们的下一个目标是加快响应速度。”研究小组已经使用水凝胶来促进超螺旋的体积变化。
斯宾克斯教授说：“我们确实认为制造直径更小的纤维可以提高速度，但目前，这种应用仅限于那些需要更慢响应的纤维。”“开发更快的超螺旋肌肉将开拓更多的应用领域。我们希望其他人探索不同的方法来产生音量变化，例如电加热，以获得更快的响应。”
结论：新型人工肌肉的应用场景更加广泛
受DNA超螺旋启发的人工肌肉具有很高的弹性，并且表现得非常接近真实的肌肉纤维，这不仅对医学具有重要意义，而且对机器人技术的发展也至关重要。
随着特殊高分子材料和智能材料的不断研发，人工肌肉将在拉伸、弯曲、扭转和收缩等方面更加灵活，在医学、机器人等领域发挥更大的作用。
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