Наши мышцы - удивительная структура. По спусковому крючку мысли мышечные нити скользят друг мимо друга, а пучки сокращающихся волокон тянут за собой кости, приводящие в движение наши тела. Триггерное поведение растяжения мышц по своей сути основано на геометрии, характеризующейся уменьшением длины и увеличением объема (или наоборот) в ответ на изменение локальной среды, например, на влажность или тепло..
Вариации этой динамической геометрии появляются повсюду в природе, демонстрируя множество механизмов и структур и вдохновляя на развитие технологии искусственных мышц. Шелк паука, в частности шелк паука Ornithoctonus Huwena, теперь предлагает новейшее такое вдохновение благодаря исследованиям ученых из Китая и США, результаты которых опубликованы сегодня в Applied Physics Letters от AIP Publishing.
«Шелк паука - это природный биологический материал с высокой чувствительностью к воде, что вдохновляет нас на изучение взаимодействия между шелком паука и водой», - сказал Хунвэй Чжу, профессор Школы материаловедения и инженерии Университета Цинхуа в Пекин и часть сотрудничества. «Паук Ornithoctonus Huwena - уникальный вид, поскольку его можно разводить искусственно, и он плетет шелк наноразмерного диаметра».
Помимо способности мышц сокращаться и растягиваться, ключевой частью их функциональности является то, как запускается движение - как мышца приводится в действие. Эти волокна паучьего шелка, приводимые в действие каплями воды, продемонстрировали впечатляющее поведение во всех отношениях, которые имеют значение для работы мышц (или для супергероев, которым они могут понадобиться, чтобы качаться со зданий).
«В этой работе мы раскрываем поведение шелковых волокон паука Ornithoctonus Huwena при «сжатии-растяжении» под действием воды и успешно применяем его при поднятии тяжестей», - сказал Чжу. «Весь процесс может охватывать большие расстояния с высокой скоростью и высокой эффективностью, а в дальнейшем может быть рационализирован за счет анализа механической энергии системы».
Исследовательская группа рассмотрела процесс срабатывания в нескольких различных сценариях, зафиксировав макродинамику изгибающихся волокон с помощью высокоскоростной визуализации. Они приводили в действие оголенные волокна на плоской поверхности (предметное стекло микроскопа) и при подвешивании из фиксированной точки (удерживаемой пинцетом), а затем добавляли вес к подвесной конфигурации, чтобы проверить ее грузоподъемность.
Чжу и его группа также исследовали микроструктуру белков, из которых состоят волокна, выявив белковую инфраструктуру, которая приводит к его гидрорефлексивному действию.
Электронная микроскопия дала четкое представление о гладких внутренних нитях, составляющих волокнистую структуру, а лазерная техника, называемая рамановской спектроскопией, выявила точную конформацию складчатых белковых структур, составляющих каждый слой. По сути, специфические молекулярные конфигурации, в данном случае содержащие белки, которые имеют сильное сродство к воде и перестраиваются в присутствии воды, вызывают активацию паучьего шелка..
«Альфа-спирали и бета-листы - это два типа вторичных белковых складчатых структур в белках шелка пауков», - сказал Чжу. «Бета-листы действуют как поперечные связи между белковыми молекулами, которые, как считается, имеют отношение к прочности на растяжение шелка пауков. А-спирали представляют собой полипептидные цепи, свернутые в спиральную структуру, которые, как считается, связаны с растяжимостью и эластичностью белка шелка пауков».
Возвращение волокна обратно в его расслабленное состояние (поскольку одноразовые мышцы гораздо менее полезны) требует только удаления воды, что обеспечивает сохранение наряду с простотой. С некоторой тонкой настройкой также можно спроектировать точное поведение цикла сжатия-растяжения.
«Кроме того, поскольку падающие капли воды можно собирать и перерабатывать, процесс подъема является энергосберегающим и экологически безопасным», - сказал Чжу.«Это дало возможность паучьему шелку действовать как биомиметическая мышца, позволяющая извлекать что-либо с низкими затратами энергии. Его можно дополнительно улучшить, чтобы выполнить поэтапное поведение сжатия-растяжения, задав толщину шелкового волокна и контролируя объем капли».
Понимание этого замечательного материала дает новый взгляд на разработку любого из ряда управляемых, гибких устройств в будущем.
«Взаимодействие между веществом и жидкостью может привести к структурным изменениям материалов, которые в дальнейшем могут быть применены к приводам, датчикам и гибким устройствам», - сказал Чжу.