毋庸置疑，運動對身體有益，包括強化和鍛鍊肌肉。但運動究竟是如何做到這一點的呢？當我們跑步、舉重和伸展時，肌肉會感受到來自周圍細胞的化學訊號，以及與組織碰撞產生的機械力。有些生理學家想知道是身體的天然化學刺激物還是反覆運動的物理力，抑或是兩者的混合作用，最終促使我們的肌肉生長？答案可能是找到幫助人們從肌肉損傷和神經退化性疾病中恢復的療法的關鍵。

麻省理工學院的工程師設計了一種細胞鍛鍊墊，可以幫助科學家在微觀層面上對運動的機械效應進行歸零。研究結果表明，經常運動有助於肌肉纖維向同一方向生長。圖片來源：Ella Marushchenko

現在，麻省理工學院的工程師設計出了一種細胞鍛鍊墊，它可以幫助科學家在微觀層面上對運動的純機械效應進行歸零。

這種新設計與瑜珈墊並無太大差別： 兩者都是橡膠材質，有一定的伸縮性。就麻省理工學院的墊子而言，它是由水凝膠製成的，水凝膠是一種類似果凍的柔軟材料，只有四分之一硬幣大小，內嵌磁性微粒。

為了激活凝膠的機械功能，研究人員在墊子下方使用了一塊外部磁鐵，來回移動嵌入的微粒，使凝膠像振動墊一樣搖擺。他們控制著晃動的頻率，以模擬肌肉在實際運動時所承受的力量。

接下來，他們在凝膠表面培育了一層肌肉細胞地毯，並激活了磁鐵的移動。然後，他們研究了細胞在受到磁力振動時對”運動”的反應。

研究結果表明，定期的機械運動可以幫助肌肉纖維朝同一方向生長。這些排列整齊的”鍛煉”纖維還能同步工作或收縮。研究結果表明，科學家可以利用新的鍛鍊凝膠來塑造肌肉纖維的生長方式。研究小組計劃利用他們的新裝置，將強壯、功能性肌肉的薄片模型化，以用於軟機器人和修復病變組織。

拉曼左側是研究生安吉爾-布，右側是研究生布蘭登-裡奧斯。圖片來源：亞當-格蘭茲曼

麻省理工學院工程設計布里特和亞歷克斯-達貝洛夫職業發展教授裡圖-拉曼（Ritu Raman）說：”我們希望利用這個新平台來研究機械刺激是否有助於引導受傷後的肌肉再生或減輕老化的影響。機械力在我們的身體和生活環境中扮演著非常重要的角色。現在我們有了一個研究工具”。

她和同事最近在《設備》（Device）雜誌上發表了他們的研究成果。

在麻省理工學院，拉曼的實驗室設計用於醫學和機器人學的自適應生命材料。團隊正在設計功能性神經肌肉系統，目的是恢復運動障礙患者的行動能力，並為柔軟的適應性機器人提供動力。為了更好地了解天然肌肉和驅動其功能的力量，她的團隊正在研究組織如何在細胞層面上對運動等各種力量做出反應。

拉曼說：”在這裡，我們想找到一種方法，將運動的兩個主要因素–化學和機械–分離開來，看看肌肉是如何純粹對運動的機械力做出反應的。”

研究團隊一直在尋找一種方法，讓肌肉細胞定期、反覆地受到機械力的作用，同時又不會在過程中對它們造成物理損傷。他們最後選擇了磁鐵這種安全、無損的方式來產生機械力。

對於他們的原型，研究人員首先將市售的磁性奈米粒子與橡膠矽溶液混合，以製造出微米大小的小型磁棒。他們將混合物固化成板坯，然後將板坯切成非常薄的條狀。他們將四根磁棒夾在兩層水凝膠（一種通常用於培養肌肉細胞的材料）之間，每根磁棒之間的間距稍大。最後得到的嵌入磁鐵的墊子大約有四分之一硬幣大小。

然後，研究團隊在墊子表面培養出”鵝卵石”狀的肌肉細胞。每個細胞一開始都是圓形，隨著時間的推移逐漸拉長，並與其他相鄰細胞融合形成纖維。

最後，研究人員在凝膠墊下的軌道上放置了一塊外部磁鐵，並設定磁鐵來回移動的程序。嵌入的磁鐵隨之移動，使凝膠發生擺動，並產生與細胞在實際運動時類似的力量。研究團隊每天對細胞進行30 分鐘的機械”運動”，持續了10 天。作為對照，他們在相同的墊子上培養細胞，但讓它們在沒有運動的情況下生長。

拉曼說：”然後，我們放大並拍攝了凝膠的照片，發現這些受到機械刺激的細胞看起來與對照組細胞截然不同。”

研究團隊的實驗發現，與沒有運動的細胞相比，經常暴露在機械運動中的肌肉細胞生長時間較長，而沒有移動的細胞則傾向於保持圓形。更重要的是，”運動”過的細胞長出的纖維朝同一方向排列，而不運動的細胞則像雜亂無章的乾草堆，纖維排列不整齊。

研究團隊在這項研究中使用的肌肉細胞是經過基因工程改造的，能在藍光照射下收縮。通常情況下，人體內的肌肉細胞會在神經電脈衝的作用下收縮。然而，在實驗室中對肌肉細胞進行電刺激可能會對它們造成潛在傷害，因此研究小組選擇從基因上操縱這些細胞，使它們對非侵入性刺激（在本例中為藍光）做出收縮反應。

拉曼解釋說：”當我們用光線照射肌肉時，你可以看到控制細胞在跳動，但有些纖維這樣跳動，有些那樣跳動，總體上產生了非常不同步的抽搐。而在排列整齊的纖維中，它們都同時朝著同一方向拉動和跳動”。

她將這種新的鍛鍊凝膠命名為MagMA（磁性基質驅動），它可以作為一種快速、非侵入性的方法來塑造肌肉纖維，並研究它們如何對運動做出反應。她還計劃在這種凝膠上培養其他類型的細胞，以研究它們如何對定期運動做出反應。