毋庸置疑，运动对身体有益，包括强化和锻炼肌肉。但运动究竟是如何做到这一点的呢？当我们跑步、举重和伸展时，肌肉会感受到来自周围细胞的化学信号，以及与组织碰撞产生的机械力。一些生理学家想知道 是身体的天然化学刺激物还是反复运动的物理力，抑或是两者的混合作用，最终促使我们的肌肉生长？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。
麻省理工学院的工程师设计了一种细胞锻炼垫，可以帮助科学家在微观层面上对运动的机械效应进行归零。研究结果表明，经常锻炼有助于肌肉纤维向同一方向生长。图片来源：Ella Marushchenko
现在，麻省理工学院的工程师们设计出了一种细胞锻炼垫，它可以帮助科学家们在微观层面上对运动的纯机械效应进行归零。
这种新设计与瑜伽垫并无太大区别： 两者都是橡胶材质，有一定的伸缩性。就麻省理工学院的垫子而言，它是由水凝胶制成的，水凝胶是一种类似果冻的柔软材料，只有四分之一硬币大小，内嵌磁性微粒。
为了激活凝胶的机械功能，研究人员在垫子下方使用了一块外部磁铁，来回移动嵌入的微粒，使凝胶像振动垫一样摇摆。他们控制着晃动的频率，以模拟肌肉在实际运动时所承受的力量。
接下来，他们在凝胶表面培育了一层肌肉细胞地毯，并激活了磁铁的运动。然后，他们研究了细胞在受到磁力振动时对"运动"的反应。
研究结果表明，定期的机械运动可以帮助肌肉纤维向同一方向生长。这些排列整齐的"锻炼"纤维还能同步工作或收缩。研究结果表明，科学家可以利用新的锻炼凝胶来塑造肌肉纤维的生长方式。该研究小组计划利用他们的新装置，将强健、功能性肌肉的薄片模型化，以用于软机器人和修复病变组织。
拉曼左侧是研究生安吉尔-布，右侧是研究生布兰登-里奥斯。图片来源：亚当-格兰兹曼
麻省理工学院工程设计布里特和亚历克斯-达贝洛夫职业发展教授里图-拉曼（Ritu Raman）说："我们希望利用这个新平台来研究机械刺激是否有助于引导受伤后的肌肉再生或减轻衰老的影响。机械力在我们的身体和生活环境中扮演着非常重要的角色。现在我们有了一个研究工具"。
她和同事们最近在《设备》（Device）杂志上发表了他们的研究成果。
在麻省理工学院，拉曼的实验室设计用于医学和机器人学的自适应生命材料。该团队正在设计功能性神经肌肉系统，目的是恢复运动障碍患者的行动能力，并为柔软的适应性机器人提供动力。为了更好地了解天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，我们想找到一种方法，将运动的两个主要因素--化学和机械--分离开来，看看肌肉是如何纯粹对运动的机械力做出反应的。"
研究小组一直在寻找一种方法，让肌肉细胞定期、反复地受到机械力的作用，同时又不会在此过程中对它们造成物理损伤。他们最终选择了磁铁这种安全、无损的方式来产生机械力。
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硅溶液混合，制造出微米大小的小磁棒。他们将混合物固化成板坯，然后将板坯切成非常薄的条状。他们将四根磁棒夹在两层水凝胶（一种通常用于培养肌肉细胞的材料）之间，每根磁棒之间的间距稍大。最后得到的嵌入磁铁的垫子大约有四分之一硬币大小。
然后，研究小组在垫子表面培养出"鹅卵石"状的肌肉细胞。每个细胞一开始都是圆形，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，研究人员在凝胶垫下的轨道上放置了一块外部磁铁，并设定磁铁来回移动的程序。嵌入的磁铁随之移动，使凝胶发生摆动，并产生与细胞在实际运动时类似的力。研究小组每天对细胞进行 30 分钟的机械"锻炼"，持续了 10 天。作为对照，他们在相同的垫子上培养细胞，但让它们在没有运动的情况下生长。
拉曼说："然后，我们放大并拍摄了凝胶的照片，发现这些受到机械刺激的细胞看起来与对照组细胞截然不同。"
研究小组的实验发现，与没有运动的细胞相比，经常暴露在机械运动中的肌肉细胞生长时间更长，而没有运动的细胞则倾向于保持圆形。更重要的是，"运动"过的细胞长出的纤维朝同一方向排列，而不运动的细胞则像杂乱无章的干草堆，纤维排列不整齐。
研究小组在这项研究中使用的肌肉细胞是经过基因工程改造的，能在蓝光照射下收缩。通常情况下，人体内的肌肉细胞会在神经电脉冲的作用下收缩。然而，在实验室中对肌肉细胞进行电刺激可能会对它们造成潜在伤害，因此研究小组选择从基因上操纵这些细胞，使它们对非侵入性刺激（在本例中为蓝光）做出收缩反应。
拉曼解释说："当我们用光线照射肌肉时，你可以看到控制细胞在跳动，但有些纤维这样跳动，有些那样跳动，总体上产生了非常不同步的抽搐。而在排列整齐的纤维中，它们都同时朝着同一方向拉动和跳动"。
她将这种新的锻炼凝胶命名为 MagMA（磁性基质驱动），它可以作为一种快速、无创的方法来塑造肌肉纤维，并研究它们如何对运动做出反应。她还计划在这种凝胶上培养其他类型的细胞，以研究它们如何对定期锻炼做出反应。