蜘蛛絲可以被用來制作“人造肌肉”？

來源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2019-03-04 16:12:00【大中小】

研究人員發(fā)現(xiàn)，作為被稱為最抗重的材料之一，蜘蛛絲具有另一種不尋常的特性，可能會(huì)用于制備“人造肌肉”。研究小組發(fā)現(xiàn)，彈性纖維對(duì)濕度的變化反應(yīng)非常強(qiáng)烈。在空氣中相對(duì)濕度高于一定水平的情況下，它們突然收縮并扭曲，施加足夠的力以與作為致動(dòng)器探索的其他材料競(jìng)爭(zhēng) - 這些裝置可以執(zhí)行某些活動(dòng)，例如控制閥門。

研究人員最近發(fā)現(xiàn)了一種稱為“超收縮”的蜘蛛絲屬性，其中纖細(xì)的纖維可以隨著水分的變化而突然收縮。新的發(fā)現(xiàn)是，不僅螺紋收縮，它們同時(shí)扭曲，提供強(qiáng)大的扭轉(zhuǎn)力。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《Science Advance》雜志上。

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“我們最初偶然發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)，我們想研究濕度對(duì)蜘蛛拉絲的影響。”為此，他們將一根砝碼懸掛在絲綢上制成一種擺錘，并將其封入一個(gè)可以控制內(nèi)部相對(duì)濕度的室內(nèi)。 “當(dāng)我們?cè)黾訚穸葧r(shí)，鐘擺開始旋轉(zhuǎn)。這超出了我們的預(yù)期。”

此外，該團(tuán)隊(duì)測(cè)試了許多其他材料，包括人發(fā)，但在他們嘗試過的其他材料中沒有發(fā)現(xiàn)這種扭曲動(dòng)作。但劉說，他立即開始思考這種現(xiàn)象“可能會(huì)用于人造肌肉”。

“這對(duì)于機(jī)器人領(lǐng)域的研究者們來說可能非常有趣，”作者說道，這是一種控制某些傳感器或控制設(shè)備的新方法。 “通過控制濕度來控制這些運(yùn)動(dòng)非常精確。”

雖然從蜘蛛的角度來看這種扭轉(zhuǎn)力的目的尚不清楚，但研究人員認(rèn)為，對(duì)水分的超收縮可能是確保網(wǎng)狀物在早晨露水時(shí)被拉緊的一種方法，也許可以防止它受到損害。最大化其對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)性，以便蜘蛛感知它的獵物。

“我們沒有發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的任何生物學(xué)意義”。但是通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)分子建模的結(jié)合，他們已經(jīng)能夠確定扭轉(zhuǎn)機(jī)制的工作原理。事實(shí)證明，這是基于特定種類的蛋白質(zhì)-脯氨酸結(jié)構(gòu)單元的折疊。

“蜘蛛拉絲是一種蛋白質(zhì)纖維，”作者解釋說。 “它由兩種主要蛋白質(zhì)組成，稱為MaSp1和MaSp2。”對(duì)于扭轉(zhuǎn)反應(yīng)至關(guān)重要的脯氨酸在MaSp2中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水分子與其相互作用時(shí)，它們以不對(duì)稱的方式破壞其氫鍵，從而導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)僅沿一個(gè)方向進(jìn)行，并且發(fā)生在約70％相對(duì)濕度的閾值處。

“蛋白質(zhì)具有內(nèi)置的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，通過它的扭轉(zhuǎn)力，它可以成為一種全新的材料。也許我們可以制造出能夠復(fù)制這種行為的新型聚合物材料，”作者說：“絲綢具有獨(dú)特的超收縮傾向，能夠響應(yīng)外部觸發(fā)因素（例如濕度）表現(xiàn)出扭轉(zhuǎn)行為，可用于設(shè)計(jì)響應(yīng)性的絲綢材料，可以在納米尺度上進(jìn)行精確調(diào)整。潛在的應(yīng)用是多種多樣的：從濕度驅(qū)動(dòng)的軟機(jī)器人和傳感器，到智能紡織品和綠色能源發(fā)電機(jī)。”

原始出處

Dabiao Liu, Anna Tarakanova, Claire C. Hsu, Miao Yu, Shimin Zheng, Longteng Yu, Jie Liu, Yuming He, D. J. Dunstan and Markus J. Buehler. Spider dragline silk as torsional actuator driven by humidity. Science Advances, 2019 DOI: 10.1126/sciadv.aau9183