能在激光照射下收缩的肌肉细胞

　　据悉，美国麻省理工学院和宾夕法尼亚大学的科学家通过基因改造，设计出了能在激光脉冲照射下收缩的肌肉细胞。这种光敏组织可被用于构建关节型仿生机器人，使其在移动时也能具备和人类一样的力量和灵活性。相关研究论文发表在《芯片实验室》杂志上。
　　研究人员基于骨骼肌进行了实验，因为其比心肌或平滑肌都要强劲有力，在人类跑步、走路或进行其他物理运动时会被用到。自然情况下，神经元会发射电子脉冲以刺激肌肉，从而引发肌肉收缩。在实验室中，科学家通常会使用带有微弱电流的电极作为肌肉纤维的刺激源。这种技术虽然有效，但很笨重，而且电极所需的电力也会使机器人陷入缺电的困境。
　　不同的是，这次科研人员改用短波激光脉冲来作为外界刺激源，希望骨骼肌细胞也能在激光的刺激下发生抽动。研究人员首先对成肌细胞进行了基因改造，使其能够表达出光激蛋白。随后将成肌细胞融进了较长的肌肉纤维，并用20毫秒的蓝光脉冲对其进行照射。结果显示，当大量的激光束照射在纤维束上时，所有的纤维都发生了收缩。
　　另外，他们还将肌纤维和水凝胶互相混合，形成了三维的肌肉组织，并利用激光对这些组织进行刺激测试。研究人员发现，三维肌肉也会按同样的方式进行弯曲和收缩，因此利用小型的微机械芯片对肌肉组织的力量进行了测量。这种芯片内包含多个“井”，每个里面都放置了两幅容易弯曲的纸片。他们把肌肉条粘着在每个纸片上，随后用激光刺激它们。当肌肉收缩时，其也将带动纸片向内弯曲；由于每张纸片的硬度已知，他们能通过其弯曲的角度计算出肌肉的力量大小。
　　研究人员表示，这是借助光照成功刺激骨骼肌收缩的研究，为控制肌肉提供了新的“无线”方式。这种技术也可为制造高度灵活的仿生机器人奠定基础，其可在1毫米范围内提供10度的自由度，在医疗设备、药物筛选、导航和移动系统等方面能得到广泛应用。相关装置还可作为肌肉训练中心，以增强肌肉组织的力度和韧度，这对因卧床不起缺乏锻炼而导致肌肉张力下降的病患而言是个福音。
　 传统仿生学通过机械装置实现对自然生物的模仿，但马达、机轴、齿轮等太过复杂笨重，因此对有“生物马达”之称的肌肉组织进行仿生成为研究热点。本研究则更进一步，这种被称为“生物综合设计”的仿生学新理念除了参考自然生物进行设计，还直接使用了真正的肌肉组织，不但融合了生物组织的优点并跳过仿生肌肉阶段，将目标专注于寻找新的理论和方法来实现轻量、低耗的肌肉组织控制系统，同时也模糊了自然物和机械装置的界限。