擴(kuò)大分子馬達(dá)在納米尺度上的作用，以驅(qū)動宏觀工程系統(tǒng)，將為包括機(jī)器人在內(nèi)的許多應(yīng)用鋪平道路。組裝成凝膠和線的合成分子馬達(dá)在光照下表現(xiàn)出毫米級的收縮和彎曲。生物分子馬達(dá)，如肌球蛋白和驅(qū)動蛋白，已經(jīng)被成功地集成到微型器件中，由于其通過分層自組裝和高能量轉(zhuǎn)換效率的可伸縮性，特別有希望能用于驅(qū)動宏觀工程系統(tǒng)。盡管毫米尺度的活性網(wǎng)絡(luò)的收縮和由生物分子馬達(dá)自組裝的百微米尺度束的纖毛樣跳動已經(jīng)被證實，但是有效地將活性網(wǎng)絡(luò)整合到工程系統(tǒng)中并產(chǎn)生足夠大的力來驅(qū)動宏觀組件仍然是一個挑戰(zhàn)。鑒于此，受應(yīng)力纖維動態(tài)組裝的啟發(fā)，日本北陸先端科技大學(xué)院大學(xué)Yuichi Hiratsuka等研究人員采取了與以往不同的方法。他們通過設(shè)計一種與3D打印技術(shù)或增材制造技術(shù)兼容的新型活性網(wǎng)絡(luò)來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，朝著實現(xiàn)所提出的應(yīng)用（如智能材料和無約束機(jī)器人）邁出了一步。成果發(fā)表在Nature Materials上。
可打印活性網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行器概念該活性網(wǎng)絡(luò)的收縮單元由微管和兩種基因工程融合蛋白CaMLMM和K465m13組成。CaMLMM是鈣調(diào)蛋白（CaM）和輕質(zhì)肌球蛋白（LMM）的融合體，而K465m13是運動蛋白kinesin-1和鈣調(diào)蛋白結(jié)合序列m13的融合體。LMM結(jié)構(gòu)域負(fù)責(zé)細(xì)胞中雙極型肌球蛋白絲的形成，導(dǎo)致CaMLMM融合體自組裝成雙極絲狀支架。在從籠狀分子中光誘導(dǎo)釋放鈣離子后，K465m13與CaMLMM支架結(jié)合，導(dǎo)致形成類似于細(xì)胞中肌球蛋白絲的雙極絲（以下稱為驅(qū)動蛋白絲）。驅(qū)動蛋白絲然后引起微管的滑動。收縮單元動態(tài)地自我組裝成第二級的層次組織，并形成大規(guī)模的收縮網(wǎng)絡(luò)，然后將其集成到宏觀設(shè)備中。圖|可打印活性網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行器概念通過生物化學(xué)方法和透射電子顯微鏡觀察證實了驅(qū)動蛋白絲的形成。為了驗證光誘導(dǎo)的收縮，將兩種融合蛋白，微管和籠中鈣封閉在一個圓形室中。在照亮整個腔室時，形成了活動網(wǎng)絡(luò)并顯示出收縮。收縮后活動網(wǎng)絡(luò)的大小是其原始大小的六分之一，并且微管密度足夠高，以至于在明視野顯微鏡下都可以看到。這些測試證明了活性網(wǎng)絡(luò)的可打印性，即，活性網(wǎng)絡(luò)能夠在任意形狀和時間的光信號之后進(jìn)行自組裝。作為邁向大型設(shè)備的第一步，研究人員研究了X形腔中可收縮活性網(wǎng)絡(luò)和兩個微柱之間的相互作用。收縮開始時，活性網(wǎng)絡(luò)圍繞柱子纏繞并在柱子之間形成束。在束中，微管沿其最長軸對齊。最終，束破裂，然后迅速收縮，表明束確實在柱子上施加了力。該實驗證明了可收縮主動網(wǎng)絡(luò)通過機(jī)械互鎖與外部結(jié)構(gòu)相互作用的能力。圖|活性網(wǎng)絡(luò)的可打印性與力生成活性網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生微牛頓范圍力的能力表明其適用于需要不受限制的高效執(zhí)行器的小型機(jī)器人應(yīng)用。在幾個復(fù)雜性不斷提高的系統(tǒng)中，該活性網(wǎng)絡(luò)有潛力用作未來機(jī)器人的執(zhí)行器。例如毫米級微型夾具。活性網(wǎng)絡(luò)也可以用于加入單獨的組件和計算。研究人員還通過實驗方法嚴(yán)格研究了收縮機(jī)制。表明CaMLMM細(xì)絲上的K465m13的絲狀形式和大量結(jié)合位點可能有助于產(chǎn)生較大的作用力。此外，研究人員利用計算機(jī)模擬研究了通過雙向運動蛋白實現(xiàn)活性網(wǎng)絡(luò)可逆收縮和擴(kuò)展的可行性。活性網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出與雙向運動蛋白運動一致的反復(fù)收縮和伸展周期。有趣的是，在進(jìn)行力測量之前，反復(fù)的收縮和伸展使活性網(wǎng)絡(luò)變得均勻，并因此具有抗破裂的彈性，從而增加了最大的力，這讓人聯(lián)想到雙網(wǎng)絡(luò)的“肌肉訓(xùn)練”水凝膠。圖|活性網(wǎng)絡(luò)中的收縮機(jī)制目前的活性網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行器可以一次性使用，例如，作為擴(kuò)展支架和用于驅(qū)動可攝入的注射裝置（機(jī)器人藥丸）。盡管如此，實現(xiàn)可逆性將有助于實現(xiàn)建議的應(yīng)用程序。通過將執(zhí)行器和機(jī)器人框架同時進(jìn)行3D打印，可以將活性網(wǎng)絡(luò)精確集成到工程系統(tǒng)中，并實現(xiàn)宏觀驅(qū)動，從而為制造具有獨特功能（包括高生物相容性，高生物降解性和潛在可食用性）的機(jī)器人打開了大門。Nitta, T., Wang, Y., Du, Z. et al. A printable active network actuator built from an engineered biomolecular motor. Nat. Mater. (2021).https://doi.org/10.1038/s41563-021-00969-6
