从水母到人造材料：研究实现化学能直接转机械运动，无需复杂电路

热点资讯 2025年10月22日 06:36 4 cc

本文为深度编译，仅供交流学习，不代表智子说观点

编者按图片来源：奥列格·E·什克利亚耶夫 (Oleg E. Shklyaev)

如果一种软质材料能够自主运动，其驱动方式并非来自电子元件或电机，而是源于最原始的化学信号传递——这种机制同样驱动着最简单的生物体——这会是怎样的情景？美国匹兹堡大学 (University of Pittsburgh) 斯旺森工程学院 (Swanson School of Engineering) 的研究人员正是为此构建了一种模型：一个能够将化学反应直接转化为机械运动的合成系统，且无需依赖人体内复杂的生化机制。

如同水母，某些最简单的生物体并不具备中央大脑或神经系统。*取而代之的是由分散神经细胞构成的“神经网”，这些细胞通过能发射和接收化学信号的活性突触相互连接。即使没有中央“处理器”，化学信号仍能自发地在神经网中传递，触发生物体生存所需的自主运动。

在发表于《美国国家科学院院刊》子刊 (PNAS Nexus) 的研究中，美国匹兹堡大学研究助理奥列格·什克利亚耶夫 (Oleg E. Shklyaev) 与化学与石油工程杰出教授、约翰·斯旺森工程讲席教授安娜·巴拉兹 (Anna Balazs) 共同开发出一种计算机模拟技术，设计出一种具有“神经网络”的软材料。该材料以模拟最早、最简单生命系统协调运动的方式，将化学网络与机械网络相联结。

巴拉兹解释道：“在生物体中，化学信号时刻触发着运动——从心肌组织的搏动到植物向阳弯曲。我们思考的是：在合成材料中，一个最简化的系统要如何才能重现这种行为？”

从化学波到运动

该模型的核心是一个简单的反馈回路（抑制振荡器），可产生有节奏的化学振荡。研究人员通过一系列涂覆了酶的微珠构建该系统，这些微珠由柔性连接件串联，构成了材料的主体。这些微珠可被视为机械响应组织，或是串联成柔性脊柱的椎骨。

当微珠表面发生化学反应时，会形成浓度变化波并沿链条传播。这些化学波诱导产生流体运动，进而使整个网络变形，实现了化学能向机械能的有效转化。研究团队将这种耦合机制称为化学-机械网络 (CMN)。

从视觉层面看，什克利亚耶夫将其行为比作“蜈蚣或扁虫——收缩波穿过身体，推动其前进”。

研究人员发现，通过调整网络的化学成分和几何结构（例如将微珠排列成环状），可以控制波的长度和速度。闭合的环路使得运动能够在系统中持续循环。

自我驱动的弹簧玩具

巴拉兹以弹簧玩具 (Slinky) 作为另一类比。

“若将弹簧玩具置于楼梯顶端轻轻一推，重力便会接管作用，使其势能转化为动能。”她解释道，“现在，想象在特定的线圈上涂覆能够触发特定化学反应的酶。一旦化学反应启动，弹簧玩具便会自行移动——因为反应产生的波在线圈间传递，使其按特定顺序弯曲和伸展，从而形成定向运动。”

在这个比喻中，弹簧玩具构成了机械骨架，而那些彩色的酶位点则扮演着化学神经末梢的角色。当某个位点发生反应时，它会向邻近区域传递化学‘信号’——如同神经元传递信号——从而使结构的特定部分产生选择性的运动。

“我们的系统能‘指令’特定区域运动。”巴拉兹解释道，“例如，某段反应可能使一段结构升起，而另一段反应则导致不同区域弯曲。这是一个被简化到极致的自主系统——化学引导机械运动。”

虽然响应刺激的材料能够利用外部信号产生特定动作，但这类材料通常仅对一两种特定信号敏感，且运动模式有限。与此不同，在这项研究中，涂层微珠能产生位置特异性和酶特异性的化学信号，因此，通过改变涂层微珠的化学性质和位置，即可引发广泛的动态行为。

化学神经系统

该团队的模型展示了化学反应网络 (CRNs) 如何在无需电子元件或集中控制的情况下实现机械协调。

“这个简单系统无需大脑或电信号。”什克利亚耶夫指出，“一旦化学反应启动，产生的流动便驱动结构运动，且完全自给自足。”

该研究揭示了在体液中运行的化学反应网络 (CRNs) 与浸没其中的弹性组织（珠子和链节）之间存在着内在联系，从而形成了对应的化学-机械网络 (CMN)。人体含水量高达60%，且富含酶类。通过多种机制，水溶液中的酶促反应会自然产生梯度，将化学能转化为机械作用。

生物学研究常常忽略了化学-机械网络 (CMN) 的形成机制，以及化学反应网络 (CRN) 与弹性组织间的交互过程。CRN-CMN系统构筑了闭合的化学回路，可实现信号收发、运动生成，甚至能沿结构运输微观货物——如同生物组织输送营养或响应刺激的机制。

该概念有望应用于未来的软体机器人、响应性材料或化学计算系统，使其能够在流体环境中自主运作。

简单组件，复杂行为

“生物学向我们展示了复杂性源于简单性。”巴拉兹指出，“仅通过结合化学、弹性与流体流动这几个关键要素，我们就观察到了材料的运动。它将化学燃料转化为动力，协调各个部分协同工作，无需电线、电路或电机即可完成任务。”

“这有点像吃完芝士汉堡后手臂就能活动，”她打趣道，“你只需添加燃料，其余它自会完成。”

这个比喻，或许点出了驱动力最原始的形态。当一个系统不再依赖冰冷的电路，而是像水母一样，依靠化学波的传递来自主“思考”和运动时，它似乎才真正拥有了“生命感”。从远古水母的神经网，到实验室里涂覆着酶的微珠，这种跨越亿万年的底层逻辑，或许正为那些渴望“活”起来的材料，指明了最古老，也最新的方向。

这种用化学驱动的“活”材料，让你想到了什么？欢迎在评论区聊聊。

作者：美国匹兹堡大学

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