В новом исследовании ученые нашли применение паучьему шелку в робототехнике и создании искусственных мышц. Исследователи обнаружили, что паучий шелк, уже известный как один из самых прочных материалов, обладает еще одним необычным свойством, которое может привести к появлению новых видов искусственных мышц или роботизированных приводов.
Свойства паучьего шелка
Паучий шелк уже известен своим исключительным соотношением прочности и веса, своей гибкостью и прочностью или упругостью. Ученые по всему миру работают над тем, чтобы воспроизвести эти свойства в синтетической версии волокон на основе белка.
Материалы и методы обследования
Ученые подвешивали груз на шелке для создания своего рода маятника и помещали его в камеру, где они смогли контролировать относительную влажность внутри.
Результаты научной работы
Исследователи обнаружили, что эластичные волокна очень сильно реагируют на изменения влажности. Выше определенного уровня относительной влажности воздуха они внезапно сжимаются и закручиваются, прилагая достаточное усилие, чтобы потенциально конкурировать с другими материалами, которые исследуются в качестве исполнительных механизмов — устройств, которые перемещаются для выполнения некоторой деятельности, такой как управление клапаном. Об этих результатах сообщается в журнале Science Advances в исследовании Маркуса Бюлера (Markus Buehler), сотрудника Массачусетского Технологического Института (Massachusetts Institute of Technology). Исследователи обнаружили свойство паутинного шелка, называемое суперсжатием, при котором тонкие волокна могут внезапно сжиматься в ответ на изменения влажности. Новый вывод заключается в том, что нити не только сжимаются, но и скручиваются одновременно, создавая сильную скручивающуюся силу.
«Сначала мы обнаружили это случайно», — говорит Бюлер. «Мои коллеги и я хотели изучить влияние влажности на шелк драглайна. Когда мы увеличили влажность, маятник начал вращаться. Это было вне наших ожиданий. Это действительно шокировало меня».
Ученые проверила ряд других материалов, в том числе человеческие волосы, но не обнаружили таких скручивающих движений в других материалах, которые они испытывали. Но Бюлер 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 управляющих устройств. «Можно очень точно контролировать эти движения, регулируя влажность».
«Мы не нашли никакого биологического значения скручивающего движения», — говорит Бюлер.
Но благодаря комбинации лабораторных экспериментов и молекулярного моделирования с помощью компьютера они смогли определить, как работает механизм скручивания. Оказывается, он основан на сворачивании определенного вида белкового строительного блока, называемого пролином. Исследование этого основного механизма потребовало детального молекулярного моделирования.
«Шелк драглайна — это белковое волокно», — объясняет Бюлер. «Он состоит из двух основных белков, называемых MaSp1 и MaSp2».
Пролин, имеющий решающее значение для реакции скручивания, находится внутри MaSp2, и когда молекулы воды взаимодействуют с ним, они нарушают его водородные связи асимметричным образом, что вызывает вращение. Вращение происходит только в одном направлении и происходит при пороге относительной влажности около 70%.
«Белок имеет встроенную симметрию вращения. И благодаря своей силе скручивания, это делает возможным применение совершенно нового класса материалов. Теперь, когда это свойство было обнаружено, его можно воспроизвести в синтетическом материале. Возможно, мы сможем создать новый полимерный материал, который бы повторял это поведение», — говорит Бюлер.
«Уникальная склонность шелка драглайна может быть использована для разработки чувствительных материалов на основе шелка, которые можно точно настроить на наноуровне. Потенциальные приложения разнообразны: от мягких роботов и датчиков, управляемых влажностью, до умного текстиля и генераторов экологически чистой энергии. Такое вращательное движение может быть выделено в других материалах, на которые мы еще не обращали внимания», — говорит Бюлер.
В дополнение к возможным искусственным мышцам, новый материал может также привести к точным датчикам влажности.
Авторы другого исследования утверждают, что яд паука может помочь людям с хроническими болями.
