傳統的機器人和執行器通常由剛性和脆性材料組成。相比之下，在不斷發展的軟機器人領域中，人們一直在探索柔性和高度可變形的材料，以實現類似于生物系統的柔韌性（楊氏模量在kPa到GPa范圍內）。柔韌性和復雜的變形使軟機器人能夠適應不可預測的環境，從而使這些機器人在與人進行物理交互以及在動態環境中操作時更安全。盡管軟機通常可以抵抗鈍器損壞（例如，撞擊，壓縮和彎曲），但由于其固有的柔軟性，它們很容易受到機械損壞（刺穿，撕裂和切割），從而限制了其使用壽命和性能。近年來，在可拉伸的自愈材料的開發方面已進行了深入的研究，這些材料在受損后可恢復其結構和性能。當前的策略包括通過微管化或修復劑的封裝進行外在自我修復，以及通過動態共價鍵（如Diels-Alder反應和二硫化物化學）或通過超分子非共價化學（如氫鍵、金屬離子配位、離子相互作用和范德華力）實現內在自愈。這些自愈策略中的一些最近已被集成到軟機器人平臺中，例如軟致動器，電子設備和設備。但是，盡管這些自修復材料具有希望，但它們仍然存在很多缺點，限制了它們的性能和實際應用，因為它們需要連續供應可能有害的單體和催化劑，在修復過程中失去功能，在修復后的機械強度低，需要高能量輸入以觸發自我修復，或需要較長的治愈時間（通常大于24小時）。
近年來，人們設計了一種蛋白質工程方法，通過氨基酸構建塊的串聯重復和滾動圓擴增DNA組裝來合成長度可控的仿生序列庫。通過對魷魚物種的蛋白質分析，設計了以魷魚環齒（吸盤內的捕食性牙齒結構）中蛋白質為靈感的仿生序列。這些蛋白質由具有無定形和晶體形成嵌段的分段氨基酸序列組成，在轉基因宿主生物體（細菌）中表達，以開發具有可編程特性（例如機械、運輸和熱）的基于蛋白質的功能材料。
啟發于魷魚的合成蛋白的串聯重復設計來生成具有系統控制的形態，德國馬克斯普朗克智能系統研究所Metin Sitti和美國賓夕法尼亞州立大學Melik C. Demirel等人使用合成材料生物學工具來合理設計合成串聯重復序列蛋白，并開發出用于軟機器人應用的堅固、快速、自修復的材料（圖1a），其愈合速度強度比天然蛋白和軟蛋白要高出幾個數量級，開發出的執行器能夠在1秒鐘內自我修復極端機械損傷，并且性能優于生物肌肉。相關成果以題為“Biosynthetic self-healing materials for soft machines”發表于Nature Materials上。
魷魚啟發的生物合成蛋白
合成了具有n4、7、11和25個串聯重復（TRn4、TRn7、TRn11和TRn25，分子量分別為15.8、25.7、39.4和84.6kDa）的生物合成蛋白質，跨越了天然蛋白質和其他蛋白質中的肽段長度。在其分段氨基酸序列的驅動下，串聯重復序列多肽自組裝成超分子β-片穩定網絡。
通過精確控制多肽（n=4到25）中的串聯重復，可以系統地調整分子缺陷密度，從“全缺陷”網絡（TRn4）到“接近完美”網絡（TRn25），并優化網絡形態，使之超越魷魚環齒天然蛋白復合物。因此，串聯重復生物合成多肽的物理性質，包括室溫下的蛋白質結合力（即蛋白質-蛋白質粘附力），超過了同一家族的天然和重組魷魚源蛋白。這種對分子缺陷的控制使得通過序列設計來進行性質規劃，從而得到具有顯著自愈性能的蛋白質材料（優于以往研究的自愈蛋白和其他最新合成的自愈材料），并提供了一個良好的開發平臺生物基自愈材料適用于需要機械強度和快速愈合動力學的應用。
圖|頭足類啟發的生物合成蛋白質
自愈機制
在微管，基于膠囊的和固有的自我修復的三種主要方法中，魷魚啟發的多肽的機制屬于固有的自我修復。由于通過氫鍵形成的超分子相互作用的非共價性質，蛋白質網絡在受到物理交聯的破壞之后，會通過在蛋白質基質和β-折疊納米結構中的鏈擴散而迅速修復，并且可以恢復材料的結構，性質和功能。為了促進鏈擴散和網絡修復，蛋白質材料可以用水塑化，而降低玻璃化轉變溫度，從而在較寬的溫度范圍（包括室溫）下實現穩定的橡膠態。優勢在于，基于蛋白質的材料因為在修復過程中不會失去機械穩定性，并且不需要從熔融或液態狀態重新形成整體網絡結構，從而可以更快地進行修復。
為了了解我們的生物啟發性蛋白質系統中愈合過程的強度和動力學，我們研究了兩個水合蛋白質表面之間的內聚力。由于網絡和鏈連接的優化，多肽隨著網絡參數εeff的增加顯示出良好的凝聚力。此外，多肽在室溫（23°C）下表現出強而緩慢的愈合，而在高于45°C的溫度下表現出軟但快速的愈合。因此，盡管愈合已在室溫下發生，但溫度調節可控制愈合動力學，從而實現定制性能。這是一個優勢，該多肽材料可實現在極短的愈合時間（?1 s）后顯示出高達23±1 MPa的機械強度。
圖|自我修復多肽
多種損傷的自修復！
根據材料的類型，損壞的性質，材料的性質以及預期的應用（例如薄膜和涂層的劃痕，軟電子器件的刺穿，彈性體的切割以及裂紋）的不同，自我修復的驗證會大不相同。研究人員測試了該串聯重復多肽對不同類型的嚴重機械損傷的自我修復特性，如劃痕、穿刺、全切的損壞。串聯重復多肽在非常短的愈合時間內對多種極端損傷類型均表現出出色的自我修復性能，這使其成為需要適應動態環境和自我修復的軟機器人應用的極佳材料。
圖|極端機械損傷的自愈
性能超過了生物肌肉
為了探索自我修復的生物啟發的串聯重復蛋白在軟促動器和機器人技術中的使用，研究人員設計并制造了一種氣動軟促動器，并構建軟夾持器，這是軟機器人技術在食品，制藥，包裝和零售行業中的有希望的應用。由于蛋白質膜的柔順性，抓手可以適應復雜的幾何形狀并施加摩擦力來操縱精致的物體。另外，還構建了一塊人造肌肉，能夠反復提起比其自身質量重至少三千倍的自重。在目前的設計中，蛋白質肌肉的比功為215 J kg-1，平均比功率為488 W kg-1，熱力學效率為62％，超過了生物肌肉，可與其他先進的軟執行器匹敵。
蛋白基肌肉
除了它們的多功能性，高性能和自我修復能力外，串聯重復多肽促動器還可以化學回收。在施加pH刺激后，它們會開始溶解，從而破壞了β-折疊納米結構。最初，薄膜在不到半分鐘的時間內降解（功能喪失），而致動器在不到五分鐘的時間內完全溶解。這可以針對慢速或快慢動力學量身定制降解過程。
圖|基于蛋白質的自修復軟執行器
小結：
串聯重復多肽的愈合性能為設計生物啟發性和生物合成材料提供了以前無法實現的新機會，并解決了自愈軟材料目前的局限性。本文制造了基于蛋白質的，多功能的，可生物降解的且具有自修復功能的軟執行器，其性能可與最新的軟執行器相媲美，并且超過了生物肌肉。生物合成蛋白材料提供了一個有前途的平臺，可以使軟機器人更接近于模擬復雜的生物系統，并為多功能軟機提供了廣闊的設計空間，這些軟機具有傳統上僅與生命系統相關的特性，例如適應外部危害，快速自我修復以及功能壽命結束時性能下降。
參考文獻：
Pena-Francesch,A., et al. Biosynthetic self-healing materials for soft machines. Nat. Mater.(2020).
https://doi.org/10.1038/s41563-020-0736-2
