科學家受蟲子啟發，開發出可用於軟體機器人的生物新材料

說到沙蠶，喜歡釣魚的朋友不會陌生，它俗名叫海蜈蚣，是釣魚捉蝦（尤其是海釣）的絕佳餌料。中國南方沿海以及東南亞一帶的居民甚至將其擺上餐桌，做成了美味。不過DT君今天要跟大家分享的內容與美食無關。

最近，美國的科研人員受這種海洋蠕蟲的啟發，研製出了能響應環境變化的新型生物材料，聲稱可應用於不依賴外界動力源的軟體機器人。

「嗨！為什麼老盯著我帥氣的臉？沒禮貌！」

沙蠶——環節動物門多毛綱沙蠶屬環節動物，極大多數海生，少數為淡水生。長2.5～90公分，一般褐色、鮮紅或鮮綠。可能是最高級的環節動物，頭部有銳利可伸縮的齶，用鰓呼吸，主要食其他蠕蟲及海產小動物。

引起科學家注意的地方是它的齶，其組成絕大部分是有機質，按說應該像凝膠一樣柔軟，但事實卻出人意料，它的強度高達0.4~0.8吉帕斯卡（GPa），與人類最堅硬的部分——牙齒，不相上下。

沙蠶齶蛋白堅韌的表現和優異的力學性能，對於軟體機器人、感測器及其他相關應用來說，無疑成為理想的製造材料。

為了探究其中的奧秘，最終實現人工合成這種材料，工程師和科學家們首先需要弄明白這些材料在沙蠶體內是如何形成的，以及它們在不同環境條件下的表現。採用的研究手段包括建立不同原子尺度的模型，預測材料在不同條件下的行為，且需要理論分析與實驗緊密結合。

為此，來自麻省理工學院土木與環境工程系原子和分子力學實驗室（LAMM）和俄亥俄州賴特-帕特森空軍基地的空軍研究實驗室（AFRL）的兩隊科研人員相互協作，設計併合成出一種仿生蛋白凝膠。其中LAMM負責從分子理論層面進行分析，建立分子模型，預測材料性能；而AFRL則負責蛋白質的合成與結構研究。

AFRL合成的凝膠由重組Nvjp-1蛋白組成，這種蛋白是沙蠶齶具有結構穩定性和超強力學性能的關鍵所在。這種凝膠會響應環境中的不同pH值和離子濃度，並做出伸展或收縮反應。

麻省理工的科研人員從分子尺度揭示了其中的本質：該蛋白質分子中含有金屬離子，能與蛋白質分子配位交聯，並最終使蛋白質分子之間形成網路結構。正是這種網狀分子結構使材料具有很高的機械強度，而且其中的金屬-蛋白質分子鍵易於活動，反映到宏觀上就是材料具有良好的伸展/收縮性能。以上解釋了該蛋白材料兼具強韌與易於變形兩種特徵的原因。

結合AFRL的蛋白質結構研究結果，LAMM的研究人員創建了一個多尺度模型，以此可預測含蛋白質材料在各種環境中的力學行為。利用模擬還能使決定材料力學性能的原子排列和分子構象變得可視化。

具體來說，研究人員利用模型能夠設計、測試和可視化不同的分子網路，看它們對各種pH值條件如何做出與生物學和力學性能相關的變化。

LAMM的研究人員發現，當pH改變時，這種蛋白質在螺旋狀與寶貝螺外殼狀之間進行構型轉換。根據預測模型，材料不僅能發生構型變化，當pH值變化時還能恢復到初始狀態。

分子水平的分析顯示，蛋白質中的組氨酸與環境中的金屬離子發生強烈結合，這一局部的化學反應，反而在很大尺度上影響著蛋白質的總體構象。當環境條件改變時，組氨酸-金屬間的相互作用也隨之改變，蛋白質構象即發生變化，進而材料整體對環境做出響應。

他們還發現，在一定pH條件下，鋅離子的存在，使蛋白分子結構中的金屬配位交聯結構更加穩固，促使蛋白材料變得更加強韌，而且還具有良好的動態和柔韌性。

「你可以像撥動開關一樣，讓蛋白凝膠伸展或收縮，所需的操作僅僅是改變環境pH值或金屬離子的濃度。」組員Martin-Martinez如此描述。

弄清楚這種蛋白材料的構造及對環境的響應原理，有助於指導機器人制動器的自主控制方案的開發，最終推動不使用外部電源、不使用雜電子控制裝置的軟體機器人及感測器的研發進程。

研究團隊的另一名成員Zhao Qin稱：「大多數軟體機器人由電源驅動，而且包含了複雜的電子控制單元。我們設計的多功能材料可謂另闢蹊徑，讓沒有電子部件的機器人直接控制材料的性能以及變形過程。」

相關論文近期發表於ACS Nano，文中描述：不同的環境pH值和離子濃度水平下，這種蛋白材料會伸展或收縮成不同的幾何形狀。這種變化是可逆的，即環境被恢復，該材料也會恢復到原來的形態。可應用於力學性能可調的智能複合材料領域，或幫助機器人專家研發自供動力機器人，讓機器人用上能根據pH值和離子濃度自我改變硬度或產生功能性變形的新材料。

本論文的資深作者、McAfee工程學教授、CEE主任Markus J. Buehler寫道：「利用化學方法改變分子層次結構，從而顯著改變材料特性的做法，為材料性能調節和基於天然材料設計新的工程應用提供了令人振奮的新機遇。」

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