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  人造肌肉的研究開始于20世紀40年代，但真正取得進展則是最近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展契機，那些新材料往往具有一些不同凡響的本領。

  一些材料可以根據電流變化呈現出各種復雜的狀態，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。開發人造肌肉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。

  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“蛋白質馬達”——肌球蛋白實際上就是一種由大型蛋白質組成的多級超分子組裝體。

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

  該超分子系統的基礎依然是該組之前所研究過的具有定向轉動功能的分子馬達，并在其兩端引入憎水和親水基團形成分子馬達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構。為了避免諸如結晶等復雜的狀況發生，作者選擇在CaCl2溶液中進行試驗，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”。作者設想，在光照及加熱情況下分子馬達1發生光化學異構和熱螺旋反轉，由此完成轉動循環（圖1b），并可能將這種微觀層面的運動經由多級超分子自組裝系統放大為宏觀層面的運動（圖1a）。

圖1. a）分子馬達自組裝成納米纖維，排列成納米纖維束和光照彎曲過程的示意圖；b）分子馬達經光照和加熱發生光化學異構和熱螺旋反轉。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性變形相比，超分子人造肌肉線的響應速度幾乎高出一個數量級，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）。當超分子人造肌肉線上的部分區域被光照時，也都能產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情況，彎曲90?后加熱至50 ℃，3小時內就恢復原狀，繼續光照依然會出現彎曲（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。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彎曲，在50 s內彎曲至90?（圖3a）。為了進一步證明其性能，他們在其末端附著了一張0.4 mg的紙片，光照后出現45?的彎曲，經計算其做功約為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動轉化為宏觀的運動，并完成具體的任務。

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性致動的機理。在光照下，在光照下分子馬達1發生光化學異構變成不穩定的異構體，這種結構變化會導致分子馬達單元的排除體積增加，并導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，于是光照一側會發生收縮。沒有被光照的一側長度不變，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%的光敏小分子馬達就能夠完成有效的機械運動，并且在空氣中也獲得了精準調控。這項研究給人造機械材料以及機器人的發展提供了很大的幫助，可能為分子機器的實際應用打開了一扇門。

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