DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)堪稱科學(xué)發(fā)展歷程中的里程碑。而通過模擬這種復(fù)雜的遺傳分子結(jié)構(gòu)，我們又發(fā)現(xiàn)了一種使人造肌肉纖維更上一層樓的新方法，有望在各類微型機(jī)構(gòu)（例如假肢及機(jī)器人手臂等裝置）上發(fā)揮作用。

螺旋的力量

除了DNA之外，自然界中還存在著多種其他螺旋結(jié)構(gòu)。翻開任何一本生物學(xué)教科書，我們都能看到大量螺旋——從蛋白質(zhì)中的阿爾法螺旋、到纖維蛋白聚集體（例如頭發(fā)角質(zhì)蛋白）中的卷曲螺旋等。

螺旋體等細(xì)菌也擁有螺旋形結(jié)構(gòu)。甚至植物的細(xì)胞壁，也包含大量以螺旋形式排列的纖維素纖維。

肌肉組織同樣由螺旋狀包裹的蛋白質(zhì)組成，并由蛋白質(zhì)形成細(xì)絲。既然如此，螺旋結(jié)構(gòu)是不是真的具有某種進(jìn)化優(yōu)勢？

這些自然衍生出的螺旋結(jié)構(gòu)，大多與運動有著千絲萬縷的關(guān)聯(lián)。例如種莢的打開，樹干、舌尖與觸手的扭曲等等。這類系統(tǒng)不約而同地采用一種共通的結(jié)構(gòu)：將螺旋形纖維嵌入柔軟的基質(zhì)當(dāng)中，由此實現(xiàn)彎曲、扭曲、伸長、縮短或盤繞等復(fù)雜動作。

這種能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形變的功能性優(yōu)勢，似乎正是螺旋普遍存在于自然界中的原因。

纏繞的纖維

十年之前，我曾從事過人工肌肉的設(shè)計，并由此對螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行過一番深入研究。我和同事們發(fā)現(xiàn)了一種簡單方法，只需將合成紗線加捻纏繞，即可制成強(qiáng)大的旋轉(zhuǎn)人造肌肉纖維。

通過加熱、吸引小分子物質(zhì)或充電令紗線體積膨脹、擴(kuò)大體積，這些紗線纖維即可完成解捻并旋轉(zhuǎn)起來。而在收縮過程中，纖維又會重新回歸纏繞狀態(tài)。

實驗證明，這些纖維能夠驅(qū)動轉(zhuǎn)子以每分鐘11500轉(zhuǎn)的速度快速旋轉(zhuǎn)。雖然纖維很小，但卻足以產(chǎn)生與大型電動機(jī)相同的單位質(zhì)量扭矩。

關(guān)鍵在于，我們需要保證紗線中螺旋排列的細(xì)絲堅硬可靠。紗線體積膨脹的過程中，各條細(xì)絲都必須能夠順利延長、或者說解捻。而在達(dá)到細(xì)絲延伸長度的極限之后，即相當(dāng)于解捻完成。

DNA中的奧秘

最近，我意識到DNA分子的活動與我們的紗絲解捻過程非常相似。研究單個DNA分子的生物學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在向DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)添加小分子物質(zhì)時，雙鏈DNA也會同樣解捻。

DNA的骨架是名為糖磷酸酯的分子剛性鏈，因此在插入小分子將兩條DNA鏈彼此推開時，雙螺旋結(jié)構(gòu)也就完成了解捻。實驗還表明，如果將DNA的末端束縛起來以阻止其旋轉(zhuǎn)，則解捻過程會產(chǎn)生“超螺旋”結(jié)構(gòu)：DNA分子構(gòu)成一條圍繞自身的環(huán)。

事實上，特殊的幾種蛋白質(zhì)會在我們的細(xì)胞中產(chǎn)生調(diào)節(jié)超螺旋，從而將DNA分子堆疊至微小的核當(dāng)中。

我們在日常生活中也經(jīng)常能接觸到超螺旋結(jié)構(gòu)——例如當(dāng)花園里灌水的軟管纏結(jié)時，對任何一條長管的加捻都會產(chǎn)生超螺旋。這種情況在紡織工藝中被稱為“股線扭結(jié)”、在線纜布置中則被稱為“纏結(jié)”。

超螺旋增強(qiáng)“人造肌肉”強(qiáng)度

我們的最新研究結(jié)果表明，可以通過引導(dǎo)預(yù)捻紡織纖維膨脹以產(chǎn)生類似于DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)。我們使用兩根滌綸縫紉線制成復(fù)合纖維，并為其分別涂上水凝膠（接觸水后會膨脹），再對二者進(jìn)行加捻。

水凝膠在接觸水后會溶脹，令復(fù)合纖維膨脹并產(chǎn)生解捻。但如果將纖維末端夾緊了阻斷解捻，纖維本身則構(gòu)成超螺旋結(jié)構(gòu)。

結(jié)果就是，纖維的長度縮短至原始長度的十分之一。在收縮過程中，其做出的機(jī)械功相當(dāng)于每克干纖維1焦耳的能量。

相比之下，以人類為代表的哺乳動物的肌肉纖維只能完成20%左右的肌肉纖維收縮比例，每克質(zhì)量的功率輸出為0.03焦耳。換句話說說，同等直徑的超螺旋纖維能夠?qū)崿F(xiàn)30倍于人體肌肉的輸出功率。

為什么要使用人造肌肉？

人造肌肉材料在受限空間的應(yīng)用場景下意義重大。例如，最新型的機(jī)動義肢手臂雖然令人印象深刻，但在靈活性上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法與真手相比。要想順暢模擬健康人體的運動、抓取與力量輸出效果，必須向其中引入更多執(zhí)行器。

但電動機(jī)自身的體積越小，輸出的功率也會大大降低，這就導(dǎo)致我們無法在義肢或其他微型設(shè)備中使用傳統(tǒng)電驅(qū)結(jié)構(gòu)。而相比之下，人造肌肉在小尺寸下仍能維持較高的做功能力與功率輸出。

為了探索其他潛在應(yīng)用，我們嘗試使用超螺旋肌肉纖維操作微型鑷子。這類工具有望成為下一代非侵入性手術(shù)或機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的重要組成部分。

過去十年以來，研究人員曾先后推出多種新型人造肌肉方案?？紤]到現(xiàn)實場景對于這類小/微型機(jī)械設(shè)備的旺盛需求，人造肌肉已經(jīng)成為高度活躍的研究領(lǐng)域。盡管這個方向已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，但我們?nèi)匀粵]能打造出與天然肌肉完全對等的人造肌肉：高收縮率、速度快、效率高、使用壽命長、靜音以及能夠與人體安全接觸等。

通過引入新的超螺旋、高收縮率設(shè)計機(jī)制，這種前所未有的人造肌肉也許幫助我們在探索道路上邁出了重要的一步。目前相關(guān)研究仍在緩慢推進(jìn)，但我們似乎看到了人造肌肉實現(xiàn)響應(yīng)速度飛躍的勝利曙光。期待在未來的探索中，超螺旋結(jié)構(gòu)能給我們帶來更多新的驚喜。