肌肉也能造出来

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在“十一五” 国家重大科技成就展上，在众多高科技成果里，一个巨大的鱼缸引得众多参观人员驻足。（图1）

远看，这个鱼缸并没有什么奇特的地方。近看，很多条小鱼正在悠闲地游来游去。细看，却有几条小鱼与众不同，长得和动画片“海底总动员”的主人公尼莫颇有几分相似。这些神奇的小鱼吸引了人们大量的目光，虽然从外形上，我们一眼就可以看出它们不是真正的鱼，但它们在水中时而悠闲漫游，时而快速启动，时而盘旋转弯，时而上浮下潜，又像真正的小鱼一样。

这几条机器鱼之所以和真鱼相似，奥秘在鱼尾上。仔细观察它们的游动姿势，可以发现完全是仿照真鱼尾鳍推进的运动方式，几乎可以以假乱真。（图2）

近些年很多科学家尝试用机器人代替人工，完成一些常人无法完成的水下任务，对海底世界探测和开发。因此，形形的机器鱼应运而生，但像哈尔滨工程大学所研究的在体积上做得这么小，在运动方式上如此以假乱真的小鱼，还真不多见。

哈尔滨工程大学教授 、博士生导师叶秀芬说，普通微型机器鱼都是马达驱动，有噪音，有电磁干扰，容易被探测到，而且很难微型化。

那么这些鱼究竟有着怎样的法宝？它的内部又是怎样的精密结构，让它可以如此与众不同呢？打开其中一条小鱼，并没有看到在小鱼的内部有精细构件，有的只是简单的电路板、电池和一条看起来很简陋的鱼尾。机器鱼的秘密究竟藏在什么地方呢。（图3）

叶秀芬介绍说，我们的创新部分，就是这个尾鳍，它是一种新型智能材料，叫生物型材料，有人叫它为人工肌肉，目前我们已经拥有了这种材料的制作技术。

自然界的生物，经历了漫长的进化过程，最终形成的肌体是最科学的，具备了最优化的运动方式，就像飞机是模仿鸟的飞行原理制作出来的一样。把鱼类的运动原理和水下机器人研究结合起来，无疑是最好的方式。

鱼游动时候的尾迹，能够形成尾涡，左右摆动各形成一个尾涡，行进中形成一系列尾涡，组成了一个向后喷射

的射流，通过反作用力推动往前走。可见鱼之所以可以向前游动，尾鳍起着关键性的作用。因此，制作仿真鱼尾不能只是长得像，还要像真的鱼尾一样，能够靠自身产生推进力，这就需要这条人造鱼尾必须像真鱼一样拥有“肌肉”。

实际上，各种动物皮肤下的肌肉更像是一部神奇的引擎。如果我们像一个细胞那么小，能够随意进入人的身体，那么当我们来到肌肉群中时，就会发现肌肉是由一道道钢缆一样的肌纤维捆扎起来的。这些钢缆组合成较粗较长的缆绳群组，当肌肉用力时，它们就像弹簧一样一张一缩。在那些最粗的缆索之内，有肌纤维、神经、血管，以及结缔组织。每根肌纤维是由较小的肌原纤维组成的。每根肌原纤维，则由缠在一起的两种丝状蛋白质组成。这就是肌肉的最基本单位。当神经冲动到达肌肉之后，肌钙蛋白构象改变，肌球蛋白和肌动蛋白连在一起，这个接触点带动两种肌丝往中间靠拢，整个肌节的靠拢就造成了肌原纤维的靠拢，从而形成整块肌肉的靠拢。往中间收缩时产生力。

大力士们大块大块的肌肉，全是由这两种小得根本无法想像的蛋白组合成的，当它们联合起来以后，就能做出惊天动地的动作来。人就是靠这些肌肉一点一点地改变了地球的面貌。

在科学家眼中，肌肉是完美的可收缩组织,科研人员一直都在梦想，通过人工方式制造出不同种类的人工肌肉应用在不同的领域。实际上在这些机器小鱼之前，已经有了人工肌肉在人体应用的案例。

2010年8月16日，国内首例“人工肌肉”植入小儿麻痹萎缩下肢手术由首都医科大学教授、 中国修复重建外科专业委员会副主任委员王江宁实施成功，这是人工肌肉材料在我国第一次被临床应用。

患者来自美国，叫皮特，45岁，两岁时患小儿麻痹后遗症，他的一条腿比对侧腿细一半，肱四头肌力量不足，经常走路摔倒。在了解了病人的情况之后，王教授制定了以人工肌肉植入进行治疗的手术方案。腿部的肌肉复杂，神经丰富，而且要承担负重和其他任务。王教授为病人萎缩的左腿做了详细的CT扫描定位进行三维数据影像重建，来确定患肢需要扩充的精确体积。为皮特量身打造了仿真的“人工肌肉”。

王教授结合自己多年临床工作经验及国外“人工肌肉”使用过程中出现的问题，提出了对植入体的独特设计思路，决定采用国际上先进的“锚钉”悬吊技术。（图4）

把仿真的人工肌肉肱四头肌的下端，放在胫骨的上端，也就是肱四头肌 的止点上，上端固定到骨盆上，按照正常的肱四头肌的张力固定，尽管它不具收缩功能，但是在其他肌肉运动关节给了它力以后，在回位过程中，这个肌肉就起到收缩作用了。

这套特有的“锚钉”悬吊系统，使得这块人工肌肉有了伸缩的功能，这对皮特的运动有着很好的辅助作用。但因为它是橡皮筋原理，如果它想要运动，还是要靠人体本身的肌肉来带动，还不能像真正的肌肉那样把化学能转化为机械能，通过自身结构的变换产生力量，显然还达不到真正肌肉的效果。

那么在哈尔滨工程大学的小机器鱼的鱼尾上，究竟隐藏着怎样的秘密，居然可以模拟出鱼的运动方式，简单的装置又是如何输出力量的呢？

叶秀芬介绍说，这个尾鳍，它是一种柔性材料（ICPF），它相当于无数个关节。普通的机器鱼，制作的时候关节是有限的，而我们的机器鱼用的是智能材料，非常柔软，可以把它当作具有无数的关节，它摆动的时候非常柔软，与鱼尾摆动非常相似。

一块毫不起眼的薄薄的材料，就是整个机器小鱼的核心、关键部件，研究人员口中神奇的人工肌肉。简单的一片，在没有任何其它像马达、齿轮和皮带等机械装置的情况下，在水中用电驱动，配合适当的程序控制，就可以像鱼尾一样有规律地来回摆动。在高倍电子显微镜的帮助下，我们可以清楚地观察到这种材料的形变过程。（图5）

叶教授进一步介绍说，ICPF材料中间是一种高分子膜，两边镀着贵金属，高分子膜里面，有一些可以游动的阳离子，阳离子吸引着周围的水分子。两边的贵金属相当于电极，通电之后，阳离子带着水分子向阴极一边移动，使阴极这边产生膨胀，整个材料向阳极一侧弯曲。电压反向之后，阳离子又向另一侧移动，这样就产生了摆动的效果，使机器鱼尾部摆动。

这种只能在液体中运动的材料，似乎是为机器鱼量身打造，有了这种人工肌肉材料的支持，再加上模拟鱼类运动的控制系统，这些微型机器鱼就诞生了。这些用先进的人工肌肉材料制作的微型机器鱼，它们的作用可不仅是让人观赏。

哈尔滨工程大学教授刘文智介绍说，这些水下微型仿生机器鱼，可以完成水污染探测、细小管道清淤等多种工作，还可以实现多机器鱼的协作和分工作业。在水下母机的帮助下，还可以完成远距离水下监测、探测、数据收集等。

新型人工肌肉材料的使用，使得机器鱼变得无比神奇。人工肌肉假体植入人体的实验，又让我们看到了这些材料在人类医学的应用前景。对人工肌肉的研究还在继续,各种各样原理不同的人工肌肉材料在不断地改进和完善。相信不远的将来，肌肉也能造出来，将不只是科学家的幻想和实验。