毫无疑问，锻炼对身体有好处，包括增强和调理我们的肌肉。但运动究竟是如何实现这一目标的呢?

当我们跑步、举重和伸展时，我们的肌肉会感受到来自周围细胞的化学信号，以及来自组织的机械力。一些生理学家想知道：最终推动我们肌肉生长的到底是身体的天然化学兴奋剂还是重复运动的物理力量，或者两者的某种混合?答案可能是找到帮助人们从肌肉损伤和神经退行性疾病中恢复的疗法的关键。

现在，麻省理工学院的工程师们设计了一种细胞锻炼垫，可以帮助科学家在微观层面上将运动的纯机械效应归零。他们已在《Device》杂志上发表了他们的研究结果。

新设计与瑜伽垫没有太大区别：两者都是橡胶的，有一点弹性。就麻省理工学院的垫子而言，它是由水凝胶制成的，水凝胶是一种柔软的果冻状材料，大约有25美分硬币大小，嵌入了磁性微粒。

为了激活凝胶的机械功能，研究人员在垫子下方使用外部磁铁来前后移动嵌入的颗粒，从而像振动垫一样依次摇动凝胶。他们控制摆动的频率来模拟肌肉在实际锻炼过程中所经历的力量。

接下来，他们在凝胶表面生长了一层肌肉细胞，并激活了磁铁的运动。然后，他们研究了细胞在磁力振动时如何响应“运动”。

到目前为止，结果表明定期的机械锻炼可以帮助肌肉纤维向同一方向生长。这些排列整齐的“运动”纤维也可以同步工作或收缩。研究结果表明，科学家可以使用新的锻炼凝胶来塑造肌肉纤维的生长方式。该团队计划利用他们的新设备对强健的功能性肌肉进行图案化，可能用于软机器人和修复患病组织。

“我们希望利用这个新平台来看看机械刺激是否有助于指导受伤后的肌肉再生或减轻衰老的影响，”麻省理工学院工程设计专业职业发展教授RituRaman说。“机械力在我们的身体和生活环境中发挥着非常重要的作用。现在我们有一个工具来研究它。”

下到垫子上

在麻省理工学院，拉曼的实验室设计了用于医学和机器人技术的自适应生命材料。该团队正在设计功能性神经肌肉系统，旨在恢复运动障碍患者的活动能力，并为软体和适应性强的机器人提供动力。为了更好地了解自然肌肉和驱动其功能的力量，她的团队正在研究组织如何在细胞水平上对运动等各种力量做出反应。

拉曼说：“在这里，我们想要一种方法将运动的两个主要元素(化学和机械)解耦，以观察肌肉如何纯粹对运动的机械力做出反应。”

研究小组寻找一种方法，使肌肉细胞受到定期和重复的机械力的作用，同时在此过程中不会对它们造成物理损伤。他们最终以一种安全且无损的方式降落在磁铁上以产生机械力。

对于他们的原型，研究人员首先将市售的磁性纳米粒子与橡胶状硅酮溶液混合，从而创建了小型微米尺寸的磁棒。他们将混合物固化形成厚板，然后将厚板切成非常薄的条。他们将四个磁棒夹在两层水凝胶之间，每个磁棒之间稍微间隔开，水凝胶是一种通常用于培养肌肉细胞的材料。由此产生的嵌入磁铁的垫子大约有25美分硬币大小。

然后，研究小组在垫子表面生长了一块由肌肉细胞组成的“鹅卵石”。每个细胞最初都是圆形的，随着时间的推移逐渐拉长并与其他相邻细胞融合形成纤维。

最后，研究人员将外部磁铁放置在凝胶垫下方的轨道上，并对磁铁进行编程以使其前后移动。嵌入的磁铁会做出响应而移动，使凝胶摇晃并产生与细胞在实际运动中所经历的力类似的力。研究小组每天对细胞进行机械“锻炼”30分钟，持续10天。作为对照，他们在同一个垫子上培养细胞，但让它们生长而不锻炼它们。

“然后，我们缩小并拍摄了凝胶的照片，发现这些机械刺激的细胞看起来与对照细胞非常不同，”拉曼说。

细胞同步

研究小组的实验表明，经常接受机械运动的肌肉细胞比没有锻炼的细胞长得更长，而没有锻炼的细胞往往保持圆形。更重要的是，“运动”的细胞生长成沿同一方向排列的纤维，而不运动的细胞则类似于由未排列的纤维组成的更加随意的干草堆。

研究小组在这项研究中使用的肌肉细胞经过基因改造，可以响应蓝光而收缩。通常，体内的肌肉细胞会响应神经的电脉冲而收缩。然而，在实验室中电刺激肌肉细胞可能会损坏它们，因此研究小组选择通过基因操纵细胞来响应非侵入性刺激(在本例中为蓝光)而收缩。

拉曼解释说：“当我们用光照射肌肉时，你可以看到控制细胞正在跳动，但有些纤维以这种方式跳动，有些则以那种方式跳动，总体上产生非常不同步的抽搐。”“而对于排列整齐的纤维，它们都会同时向同一方向拉动和跳动。”

Raman表示，她将这种新的锻炼凝胶称为MagMA(磁矩阵致动)，可以作为一种快速、无创的方式来塑造肌肉纤维并研究它们对运动的反应。她还计划在凝胶上培养其他细胞类型，以研究它们对定期运动的反应。

拉曼说：“生物学证据表明，许多类型的细胞对机械刺激都有反应，这是研究相互作用的新工具。”

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