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(tǒng)人造肌肉結(jié)構(gòu)中的一道“先天枷鎖”：要想變形大，結(jié)構(gòu)就得松；要想力氣大，結(jié)構(gòu)就得緊。

最近，華南理工大學周奕彤課題組（課題組網(wǎng)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(guān)鍵靈感。他們模仿染色體多層次螺旋折疊的結(jié)構(gòu)，在單根聚合物纖維中，首次實現(xiàn)了可編程的多級螺旋結(jié)構(gòu)，一舉突破了人造肌肉中“大變形”與“高負載”不可兼得的經(jīng)典困境。這項突破性研究于近期已發(fā)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(shù)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(jié)構(gòu)。染色體通過一級又一級的螺旋折疊，在實現(xiàn)萬倍以上壓縮的同時，保持了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(qū)動系統(tǒng)所追求的終極目標。

研究團隊思考：能否將這種精妙的“結(jié)構(gòu)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(gòu)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(zhuǎn)、盤繞和熱處理，像編寫程序一樣，在纖維內(nèi)部構(gòu)建出不同層級的螺旋結(jié)構(gòu)。

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(tǒng)人造肌肉的基本形態(tài)。

二級螺旋：把一根已經(jīng)盤好的彈簧作為新繩索，再次盤繞成更大的彈簧，結(jié)構(gòu)立刻復雜起來。

三級螺旋：將二級結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)，實現(xiàn)了從一級到三級的螺旋結(jié)構(gòu)，并精確控制了各級的手性。

本研究中，在一個三級螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)，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(qū)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(jié)構(gòu)編程，擁有收縮、伸長、扭轉(zhuǎn)、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(xiàn)。

首先，它打破了經(jīng)典的“力與形”權(quán)衡魔咒。

傳統(tǒng)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(fā)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(jié)構(gòu)。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(qū)動下，這種肌肉響應迅速，功率密度高。研究數(shù)據(jù)顯示，在一般負重下（0.8 MPa），傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(fā)生了逆轉(zhuǎn)：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(jié)構(gòu)在高壓環(huán)境下，能更聰明地消化內(nèi)部摩擦和應力，表現(xiàn)得更穩(wěn)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(xù)收縮伸展了1000次，其動作幅度波動始終未超過1%，穩(wěn)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(tài)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(nèi)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(qū)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(qū)動的仿生肘關(guān)節(jié)

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(nèi)外側(cè)。

通電后，這根“二合一”的肌肉獨立工作又完美協(xié)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(qū)動系統(tǒng)。

• 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(jié)合螺旋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的摩擦，機器人成功在狹窄的玻璃管中實現(xiàn)了前進。這為未來開發(fā)用于管道檢查或體內(nèi)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(jié)構(gòu)簡單的一階段和結(jié)構(gòu)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(qū)動的軟體手指，在抓握時能自動產(chǎn)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(jié)構(gòu)的手指。

基于此，團隊還開發(fā)了功能完整的仿生機械手系統(tǒng)，能穩(wěn)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?qū)⑦M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(qū)動范式。

傳統(tǒng)方法中，要實現(xiàn)復雜動作，需要組合多個驅(qū)動器、設計復雜的機械結(jié)構(gòu)或編寫繁復的控制算法。而現(xiàn)在，科學家證明，通過在一根纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上進行“幾何編程”，預先定義好不同區(qū)段的變形模式和力學性能，就能用最簡潔的單元，實現(xiàn)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(gòu)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(yī)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(shù)緩緩推開。

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