肌肉也能造出來

在“十一五” 國家重大科技成就展上，在眾多高科技成果里，一個巨大的魚缸引得眾多參觀人員駐足。（圖1）

遠看，這個魚缸并沒有什么奇特的地方。近看，很多條小魚正在悠閑地游來游去。細看，卻有幾條小魚與眾不同，長得和動畫片“海底總動員”的主人公尼莫頗有幾分相似。這些神奇的小魚吸引了人們大量的目光，雖然從外形上，我們一眼就可以看出它們不是真正的魚，但它們在水中時而悠閑漫游，時而快速啟動，時而盤旋轉彎，時而上浮下潛，又像真正的小魚一樣。

這幾條機器魚之所以和真魚相似，奧秘在魚尾上。仔細觀察它們的游動姿勢，可以發現完全是仿照真魚尾鰭推進的運動方式，幾乎可以以假亂真。（圖2）

近些年很多科學家嘗試用機器人代替人工，完成一些常人無法完成的水下任務，對海底世界探測和開發。因此，形形色色的機器魚應運而生，但像哈爾濱工程大學所研究的在體積上做得這么小，在運動方式上如此以假亂真的小魚，還真不多見。

哈爾濱工程大學教授 、博士生導師葉秀芬說，普通微型機器魚都是馬達驅動，有噪音，有電磁干擾，容易被探測到，而且很難微型化。

那么這些魚究竟有著怎樣的法寶？它的內部又是怎樣的精密結構，讓它可以如此與眾不同呢？打開其中一條小魚，并沒有看到在小魚的內部有精細構件，有的只是簡單的電路板、電池和一條看起來很簡陋的魚尾。機器魚的秘密究竟藏在什么地方呢。（圖3）

葉秀芬介紹說，我們的創新部分，就是這個尾鰭，它是一種新型智能材料，叫生物型材料，有人叫它為人工肌肉，目前我們已經擁有了這種材料的制作技術。

自然界的生物，經歷了漫長的進化過程，最終形成的肌體是最科學的，具備了最優化的運動方式，就像飛機是模仿鳥的飛行原理制作出來的一樣。把魚類的運動原理和水下機器人研究結合起來，無疑是最好的方式。

魚游動時候的尾跡，能夠形成尾渦，左右擺動各形成一個尾渦，行進中形成一系列尾渦，組成了一個向后噴射

的射流，通過反作用力推動往前走?？梢婔~之所以可以向前游動，尾鰭起著關鍵性的作用。因此，制作仿真魚尾不能只是長得像，還要像真的魚尾一樣，能夠靠自身產生推進力，這就需要這條人造魚尾必須像真魚一樣擁有“肌肉”。

實際上，各種動物皮膚下的肌肉更像是一部神奇的引擎。如果我們像一個細胞那么小，能夠隨意進入人的身體，那么當我們來到肌肉群中時，就會發現肌肉是由一道道鋼纜一樣的肌纖維捆扎起來的。這些鋼纜組合成較粗較長的纜繩群組，當肌肉用力時，它們就像彈簧一樣一張一縮。在那些最粗的纜索之內，有肌纖維、神經、血管，以及結締組織。每根肌纖維是由較小的肌原纖維組成的。每根肌原纖維，則由纏在一起的兩種絲狀蛋白質組成。這就是肌肉的最基本單位。當神經沖動到達肌肉之后，肌鈣蛋白構象改變，肌球蛋白和肌動蛋白連在一起，這個接觸點帶動兩種肌絲往中間靠攏，整個肌節的靠攏就造成了肌原纖維的靠攏，從而形成整塊肌肉的靠攏。往中間收縮時產生力。

大力士們大塊大塊的肌肉，全是由這兩種小得根本無法想像的蛋白組合成的，當它們聯合起來以后，就能做出驚天動地的動作來。人就是靠這些肌肉一點一點地改變了地球的面貌。

在科學家眼中，肌肉是完美的可收縮組織，科研人員一直都在夢想，通過人工方式制造出不同種類的人工肌肉應用在不同的領域。實際上在這些機器小魚之前，已經有了人工肌肉在人體應用的案例。

2010年8月16日，國內首例“人工肌肉”植入小兒麻痹萎縮下肢手術由首都醫科大學教授、 中國修復重建外科專業委員會副主任委員王江寧實施成功，這是人工肌肉材料在我國第一次被臨床應用。

患者來自美國，叫皮特，45歲，兩歲時患小兒麻痹后遺癥，他的一條腿比對側腿細一半，肱四頭肌力量不足，經常走路摔倒。在了解了病人的情況之后，王教授制定了以人工肌肉植入進行治療的手術方案。腿部的肌肉復雜，神經豐富，而且要承擔負重和其他任務。王教授為病人萎縮的左腿做了詳細的CT掃描定位進行三維數據影像重建，來確定患肢需要擴充的精確體積。為皮特量身打造了仿真的“人工肌肉”。

王教授結合自己多年臨床工作經驗及國外“人工肌肉”使用過程中出現的問題，提出了對植入體的獨特設計思路，決定采用國際上先進的“錨釘”懸吊技術。（圖4）

把仿真的人工肌肉肱四頭肌的下端，放在脛骨的上端，也就是肱四頭肌的止點上，上端固定到骨盆上，按照正常的肱四頭肌的張力固定，盡管它不具收縮功能，但是在其他肌肉運動關節給了它力以后，在回位過程中，這個肌肉就起到收縮作用了。

這套特有的“錨釘”懸吊系統，使得這塊人工肌肉有了伸縮的功能，這對皮特的運動有著很好的輔助作用。但因為它是橡皮筋原理，如果它想要運動，還是要靠人體本身的肌肉來帶動，還不能像真正的肌肉那樣把化學能轉化為機械能，通過自身結構的變換產生力量，顯然還達不到真正肌肉的效果。

那么在哈爾濱工程大學的小機器魚的魚尾上，究竟隱藏著怎樣的秘密，居然可以模擬出魚的運動方式，簡單的裝置又是如何輸出力量的呢？

葉秀芬介紹說，這個尾鰭，它是一種柔性材料（ICPF），它相當于無數個關節。普通的機器魚，制作的時候關節是有限的，而我們的機器魚用的是智能材料，非常柔軟，可以把它當作具有無數的關節，它擺動的時候非常柔軟，與魚尾擺動非常相似。

一塊毫不起眼的薄薄的材料，就是整個機器小魚的核心、關鍵部件，研究人員口中神奇的人工肌肉。簡單的一片，在沒有任何其它像馬達、齒輪和皮帶等機械裝置的情況下，在水中用電驅動，配合適當的程序控制，就可以像魚尾一樣有規律地來回擺動。在高倍電子顯微鏡的幫助下，我們可以清楚地觀察到這種材料的形變過程。（圖5）

葉教授進一步介紹說，ICPF材料中間是一種高分子膜，兩邊鍍著貴金屬，高分子膜里面，有一些可以游動的陽離子，陽離子吸引著周圍的水分子。兩邊的貴金屬相當于電極，通電之后，陽離子帶著水分子向陰極一邊移動，使陰極這邊產生膨脹，整個材料向陽極一側彎曲。電壓反向之后，陽離子又向另一側移動，這樣就產生了擺動的效果，使機器魚尾部擺動。

這種只能在液體中運動的材料，似乎是為機器魚量身打造，有了這種人工肌肉材料的支持，再加上模擬魚類運動的控制系統，這些微型機器魚就誕生了。這些用先進的人工肌肉材料制作的微型機器魚，它們的作用可不僅是讓人觀賞。

哈爾濱工程大學教授劉文智介紹說，這些水下微型仿生機器魚，可以完成水污染探測、細小管道清淤等多種工作，還可以實現多機器魚的協作和分工作業。在水下母機的幫助下，還可以完成遠距離水下監測、探測、數據收集等。

新型人工肌肉材料的使用，使得機器魚變得無比神奇。人工肌肉假體植入人體的實驗，又讓我們看到了這些材料在人類醫學的應用前景。對人工肌肉的研究還在繼續，各種各樣原理不同的人工肌肉材料在不斷地改進和完善。相信不遠的將來，肌肉也能造出來，將不只是科學家的幻想和實驗。