密歇根大学和哈佛大学的联合研究揭示了肌肉纤维中水流动对收缩速度的影响，并引入了“奇异弹性”概念，这可能彻底改变生物启发材料和人工肌肉的设计。

肌肉收缩的速度可能由其内部水的流动决定，这一发现挑战了我们对肌肉力学的传统理解，并可能改善人工肌肉设计。密歇根大学的研究指出，肌肉纤维中的水流动可能是决定它们收缩速度的关键因素。

众所周知，肌肉和其他所有细胞一样，大约70%由水组成。但科学家们尚未了解是什么决定了肌肉性能的范围和上限。以往的研究只关注肌肉在分子层面的工作机制，而没有考虑肌肉纤维的形状、它们是三维的，并且充满了液体。

密歇根大学的物理学家Suraj Shankar与哈佛大学的物理学教授L. Mahadevan共同创建了一个理论模型，研究水在肌肉收缩中的作用，发现肌肉纤维内流体的流动方式决定了肌肉纤维收缩的速度。

他们还发现肌肉表现出一种新的弹性，称为奇异弹性，这使得肌肉能够通过三维变形产生力量。这种弹性在肌肉纤维纵向收缩时，也会出现垂直方向的膨胀，是一种常见的观察现象。

研究人员表示，这一框架可以用来描述许多其他主要由水组成的细胞和组织，并且可以应用于单细胞微生物的超快速运动及其控制方式。他们的发现还可能影响软执行器（一种将能量转换为运动的材料）、快速人工肌肉和形态变化材料的设计，这些材料的收缩速度因为外部触发而非常慢。他们的研究结果发表在《自然物理》杂志上。

Shankar说：“我们的结果表明，即使是肌肉能多快收缩或肌肉能以多少种方式产生力量这样基本的问题，当人们从更综合和整体的视角看待肌肉作为一种复杂和分层组织的材料，而不仅仅是一袋分子时，会有新的和意想不到的答案。”

研究人员设想每根肌肉纤维都像一个自我挤压的活性海绵，一种充满水的海绵状材料，可以通过分子马达的作用自我收缩和挤压。

这项突破性的研究为理解肌肉如何工作提供了新的视角，强调了肌肉作为复杂和分层材料的流体动力学特性。随着对肌肉收缩机制更深入的理解，我们期待未来在生物启发材料和人工肌肉设计方面实现创新。如果您对这项研究感兴趣，或者想要了解更多关于肌肉力学和生物材料的信息，欢迎在评论区分享您的想法和经验。

参考资料：DOI： 10.1038/s41567-024-02540-x