华南理工团队模仿染色体研发可编程高负载人造肌肉-A³·爱力方

在软体机器人的世界里，一个如同物理诅咒般的“不可能三角”始终困扰着最顶尖的科学家：要想变形大，结构就得松软如橡皮筋；要想力气大，结构就得紧实如钢缆。这份在“柔性”与“力量”之间的先天枷锁，是所有传统人造肌肉结构难以逾越的鸿沟，也从根本上限制了软体机器人走向更广阔应用的可能性。

然而，最近，华南理工大学周奕彤课题组，却从一个最意想不到、也最精密的源头——生命自带的终极“压缩程序”：染色体——那里，找到了解开这道枷锁的关键钥匙。

他们模仿染色体那令人叹为观止的多层次螺旋折叠结构，在单根普通的聚合物纤维中，首次实现了可编程的多级螺旋结构。这项发表于材料科学知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》的突破性研究，一举打破了人造肌肉中“大变形”与“高负载”不可兼得的经典困境。这不仅是一次材料科学的胜利，更是一场深刻的设计哲学革命的开端。

向生命“偷师”：解码染色体的空间魔法

为什么是染色体？

想象一下，一条展开后长达数米的DNA双螺旋长链，是如何被有序地、且毫无差错地压缩进一个仅有微米级的细胞核里？答案，就是一门被演化了数十亿年的空间魔法——多层次螺旋结构。DNA通过一级又一级的螺旋折叠，在实现超过万倍的惊人压缩率的同时，依然保持了结构的稳定，并能根据需要，快速地解旋特定片段以读取遗传信息。

这种在“极致紧凑”与“按需存取”之间达成的完美平衡，正是高效人造驱动系统梦寐以求的终极目标。周奕彤课题组敏锐地捕捉到了这一点，并提出了一个大胆的设想：我们能否将这种精妙的“结构编程”思想，从生命的微观世界，“转译”到人造肌肉的宏观设计中？

于是，他们开始尝试在一根纤维的内部，构筑一个类似的、由“螺旋套着螺旋”的层级世界。

编程一根纤维：当“俄罗斯套娃”有了左右手

研究团队选用常见的银涂层尼勇纤维作为“画布”，通过一系列精确控制的扭转、盘绕和热处理，像编写软件程序一样，在纤维内部构建出不同层级的螺旋结构。

一级螺旋，是传统人造肌肉的基本形态，如同将一根绳子拧成麻花再盘成弹簧。
二级螺旋，则将一级螺旋的弹簧本身作为新的“绳索”，再次进行盘绕，形成“弹簧的弹簧”。
三级螺旋，则将这个过程再进行一次，形成极其复杂的“弹簧的弹簧的弹簧”。

然而，这种“俄罗斯套娃”式的结构，其真正的魔力，在于对每一级螺旋“手性”（即盘绕方向，左旋或右旋）的精确编程。就像螺丝有正反牙之分，每一级螺旋的旋向组合，都将预先定义好这根肌肉最终的变形行为。

——这是第一次，科学家能够在单根纤维的内部，通过纯粹的几何结构，预写入复杂的运动程序——

在一个三级螺旋结构内，他们成功组合出4种不同的手性模式（如同手性PPP、异手性PNP等）。在电热驱动下，不同的手性组合，展现出了截然不同的“性格”：有的整体强力收缩，有的整体大幅伸长，更有趣的是，有的能在收缩的同时，在径向上变细。这意味着，同一根纤维，通过不同的结构编程，就能被赋予收缩、伸长、扭转、径向变形等多种复杂的变形模式。

“鱼”与“熊掌”的兼得：性能的暴力突破

这种源自染色体的仿生设计，带来了前所未有的性能表现，彻底打破了“力与形”的权衡魔咒。

负载能力提升9倍，同时保持大变形。 传统的一阶螺旋肌肉，在收缩50%时，其负载能力仅为0.4 MPa。而新开发的二阶螺旋肌肉，在同样的收缩幅度下，负载能力飙升至3.6 MPa，提升了整整9倍。同时，其最大收缩幅度高达88.1%，丝毫不逊色。它既能像橡皮筋一样大幅收缩，又能像钢缆一样提起重物。