Паучий шелк, уже известный как один из самых прочных материалов для своего веса, как выяснилось, обладает еще одним необычным свойством, которое может привести к созданию новых видов искусственных мышц или роботизированных приводов.
Упругие волокна, как обнаружила команда, очень сильно реагируют на изменения влажности. Выше определенного уровня относительной влажности воздуха они внезапно сжимаются и скручиваются, прилагая достаточную силу, чтобы потенциально конкурировать с другими материалами, изучаемыми в качестве исполнительных механизмов - устройств, которые перемещаются для выполнения некоторых действий, таких как управление клапаном.
Выводы были опубликованы сегодня в журнале Science Advances в статье профессора Массачусетского технологического института Маркуса Бюлера, главы Департамента гражданской и экологической инженерии, вместе с бывшим постдоком Анной Таракановой и студенткой бакалавриата Клэр Хсу в Массачусетском технологическом институте; Дабяо Лю, адъюнкт-профессор Хуачжунского университета науки и технологий в Ухане, Китай; и еще шесть.
Исследователи недавно обнаружили свойство паучьего шелка, называемое суперконтракцией, при котором тонкие волокна могут внезапно сжиматься в ответ на изменение влажности. Новое открытие состоит в том, что нити не только сжимаются, но и одновременно скручиваются, создавая сильную скручивающую силу. «Это новое явление», - говорит Бюлер.
"Сначала мы нашли это случайно", - говорит Лю. «Мы с коллегами хотели изучить влияние влажности на шелк паучьего драглайна». Для этого они подвесили к шелку груз, чтобы получился своего рода маятник, и поместили его в камеру, где они могли контролировать относительную влажность внутри."Когда мы увеличили влажность, маятник начал вращаться. Мы этого не ожидали. Это меня действительно потрясло".
Команда протестировала ряд других материалов, в том числе человеческий волос, но не обнаружила подобных скручивающих движений в других материалах, которые они пробовали. Но Лю сказал, что сразу начал думать, что это явление «может быть использовано для искусственных мышц».
«Это может быть очень интересно для сообщества робототехники», - говорит Бюлер, как новый способ управления определенными типами датчиков или устройств управления. «Очень точно можно контролировать эти движения, контролируя влажность».
Шелк паука уже известен своим исключительным соотношением прочности и веса, гибкостью и прочностью, или упругостью. Ряд команд по всему миру работают над тем, чтобы воспроизвести эти свойства в синтетической версии клетчатки на основе белка.
Хотя цель этой скручивающей силы, с точки зрения паука, неизвестна, исследователи полагают, что сверхсжатие в ответ на влажность может быть способом убедиться, что паутина туго натянута в ответ на утреннюю росу, возможно защищая его от повреждений и максимально увеличивая его чувствительность к вибрации, чтобы паук чувствовал свою добычу.
«Мы не нашли никакого биологического значения» для вращательного движения, говорит Бюлер. Но благодаря сочетанию лабораторных экспериментов и молекулярного моделирования на компьютере они смогли определить, как работает механизм скручивания. Оказывается, он основан на сворачивании строительного блока особого типа белка, называемого пролином.
Исследование этого основного механизма потребовало подробного молекулярного моделирования, которое было выполнено Таракановой и Хсу. «Мы пытались найти молекулярный механизм того, что наши сотрудники обнаружили в лаборатории», - объясняет Сюй. "И мы на самом деле нашли потенциальный механизм", основанный на пролине. Они показали, что с этой конкретной структурой пролина в симуляциях всегда происходило скручивание, но без него скручивания не было.
«Шелк паучьего драглайна - это белковое волокно, - объясняет Лю. «Он состоит из двух основных белков, называемых MaSp1 и MaSp2.«Пролин, имеющий решающее значение для реакции скручивания, находится в составе MaSp2, и когда молекулы воды взаимодействуют с ним, они разрывают его водородные связи асимметричным образом, что вызывает вращение. Вращение происходит только в одном направлении и происходит при порог относительной влажности около 70 процентов.
«Белок имеет встроенную вращательную симметрию», - говорит Бюлер. И благодаря своей силе кручения он делает возможным «совершенно новый класс материалов». Он предполагает, что теперь, когда это свойство обнаружено, возможно, его можно воспроизвести в синтетическом материале. «Возможно, мы сможем создать новый полимерный материал, который воспроизведет это поведение», - говорит Бюлер.
«Уникальная склонность шелка подвергаться сверхсжатию и проявлять скручивающее поведение в ответ на внешние триггеры, такие как влажность, может быть использована для разработки чувствительных материалов на основе шелка, которые можно точно настроить на наноуровне», - говорит Тараканова, который сейчас доцент в Университете Коннектикута.«Потенциальные области применения разнообразны: от мягких роботов и датчиков, управляемых влажностью, до умного текстиля и генераторов зеленой энергии».
Может оказаться, что и другие природные материалы обладают этим свойством, но если это так, то это не замечено. «Такого рода крутящееся движение можно найти и в других материалах, которые мы еще не изучали», - говорит Бюлер. В дополнение к возможным искусственным мышцам открытие также может привести к созданию точных датчиков влажности.