科学家受虫子启发 开发出可用于软体机器人的生物新材料

说到沙蚕，喜欢钓鱼的朋友不会陌生，它俗名叫海蜈蚣，是钓鱼捉虾（尤其是海钓）的绝佳饵料。中国南方沿海以及东南亚一带的居民甚至将其摆上餐桌，做成了美味。不过DT君今天要跟大家分享的内容与美食无关。

最近，美国的科研人员受这种海洋蠕虫的启发，研制出了能响应环境变化的新型生物材料，声称可应用于不依赖外界动力源的软体机器人。

“嗨！为什么老盯着我帅气的脸？没礼貌！”

沙蚕——环节动物门多毛纲沙蚕属环节动物，极大多数海生，少数为淡水生。长2.590公分，一般褐色、鲜红或鲜绿。可能是最高级的环节动物，头部有锐利可伸缩的腭，用鳃呼吸，主要食其他蠕虫及海产小动物。

引起科学家注意的地方是它的腭，其组成绝大部分是有机质，按说应该像凝胶一样柔软，但事实却出人意料，它的强度高达0.4~0.8吉帕斯卡（GPa），与人类最坚硬的部分——牙齿，不相上下。

沙蚕腭蛋白坚韧的表现和优异的力学性能，对于软体机器人、传感器及其他相关应用来说，无疑成为理想的制造材料。

为了探究其中的奥秘，最终实现人工合成这种材料，工程师和科学家们首先需要弄明白这些材料在沙蚕体内是如何形成的，以及它们在不同环境条件下的表现。采用的研究手段包括建立不同原子尺度的模型，预测材料在不同条件下的行为，且需要理论分析与实验紧密结合。

为此，来自麻省理工学院土木与环境工程系原子和分子力学实验室（LAMM）和俄亥俄州赖特-帕特森空军基地的空军研究实验室（AFRL）的两队科研人员相互协作，设计并合成出一种仿生蛋白凝胶。其中LAMM负责从分子理论层面进行分析，建立分子模型，预测材料性能；而AFRL则负责蛋白质的合成与结构研究。

AFRL合成的凝胶由重组Nvjp-1蛋白组成，这种蛋白是沙蚕腭具有结构稳定性和超强力学性能的关键所在。这种凝胶会响应环境中的不同pH值和离子浓度，并做出伸展或收缩反应。

麻省理工的科研人员从分子尺度揭示了其中的本质：该蛋白质分子中含有金属离子，能与蛋白质分子配位交联，并最终使蛋白质分子之间形成网络结构。正是这种网状分子结构使材料具有很高的机械强度，而且其中的金属-蛋白质分子键易于活动，反映到宏观上就是材料具有良好的伸展/收缩性能。以上解释了该蛋白材料兼具强韧与易于变形两种特征的原因。

结合AFRL的蛋白质结构研究结果，LAMM的研究人员创建了一个多尺度模型，以此可预测含蛋白质材料在各种环境中的力学行为。利用模拟还能使决定材料力学性能的原子排列和分子构象变得可视化。

具体来说，研究人员利用模型能够设计、测试和可视化不同的分子网络，看它们对各种pH值条件如何做出与生物学和力学性能相关的变化。

LAMM的研究人员发现，当pH改变时，这种蛋白质在螺旋状与宝贝螺外壳状之间进行构型转换。根据预测模型，材料不仅能发生构型变化，当pH值变化时还能恢复到初始状态。

分子水平的分析显示，蛋白质中的组氨酸与环境中的金属离子发生强烈结合，这一局部的化学反应，反而在很大尺度上影响着蛋白质的总体构象。当环境条件改变时，组氨酸-金属间的相互作用也随之改变，蛋白质构象即发生变化，进而材料整体对环境做出响应。

他们还发现，在一定pH条件下，锌离子的存在，使蛋白分子结构中的金属配位交联结构更加稳固，促使蛋白材料变得更加强韧，而且还具有良好的动态和柔韧性。

“你可以像拨动开关一样，让蛋白凝胶伸展或收缩，所需的操作仅仅是改变环境pH值或金属离子的浓度。”组员Martin-Martinez如此描述。

弄清楚这种蛋白材料的构造及对环境的响应原理，有助于指导机器人制动器的自主控制方案的开发，最终推动不使用外部电源、不使用杂电子控制装置的软体机器人及传感器的研发进程。

研究团队的另一名成员Zhao Qin称：“大多数软体机器人由电源驱动，而且包含了复杂的电子控制单元。我们设计的多功能材料可谓另辟蹊径，让没有电子部件的机器人直接控制材料的性能以及变形过程。”

相关论文近期发表于ACS Nano，文中描述：不同的环境pH值和离子浓度水平下，这种蛋白材料会伸展或收缩成不同的几何形状。这种变化是可逆的，即环境被恢复，该材料也会恢复到原来的形态。可应用于力学性能可调的智能复合材料领域，或帮助机器人专家研发自供动力机器人，让机器人用上能根据pH值和离子浓度自我改变硬度或产生功能性变形的新材料。

本论文的资深作者、McAfee工程学教授、CEE主任Markus J. Buehler写道：“利用化学方法改变分子层次结构，从而显著改变材料特性的做法，为材料性能调节和基于天然材料设计新的工程应用提供了令人振奋的新机遇。”