中国科学家发现蜘蛛丝可用于打造机器人肌肉

细长的蜘蛛纤维会随着水分的变化而突然收缩,从而产生强大的扭转力。

研究人员发现,蜘蛛丝已被称为最重的材料之一,它具有另一种不寻常的特性,可能会产生新的人造肌肉或机器人致动器。

蜘蛛丝扭转力

细长的蜘蛛纤维会随着水分的变化而突然收缩,从而产生强大的扭转力。 研究小组发现,蜘蛛丝这样的弹性纤维对湿度的变化反应非常强烈。在空气中相对湿度高于一定水平的情况下,它们突然收缩并扭曲,施加足够的力以与作为致动器探索的其他材料竞争 – 这些装置可以执行某些活动,例如控制阀门。

今天的研究结果发表在“ 科学进展 ”杂志上,麻省理工学院土木与环境工程系主任Markus Buehler,以及麻省理工学院前博士后Anna Tarakanova和本科生Claire Hsu的论文中均有报道。刘大彪,中国武汉华中科技大学副教授; 和其他六个人。

研究人员最近发现了一种称为超收缩的蜘蛛丝属性,其中纤细的纤维可以随着水分的变化而突然收缩。新的发现是,不仅螺纹收缩,它们同时扭曲,提供强大的扭转力。“这是一种新现象,”Buehler说。

“我们最初偶然发现了这一点,”刘说。“我和我的同事想研究湿度对蜘蛛拉丝的影响。” 为此,他们将一根砝码悬挂在丝绸上制成一种摆锤,并将其封入一个可以控制内部相对湿度的室内。“当我们增加湿度时,钟摆开始旋转。这超出了我们的预期。这让我很震惊。”

该团队测试了许多其他材料,包括人发,但在他们尝试过的其他材料中没有发现这种扭曲动作。但刘说,他立即开始思考这种现象“可能会用于人造肌肉”。

“这对于机器人社区来说可能非常有趣,”Buehler说,这是一种控制某些传感器或控制设备的新方法。“通过控制湿度来控制这些运动非常精确。”

蜘蛛丝以其出色的强度重量比,柔韧性,韧性或弹性而闻名。世界各地的许多团队正致力于在蛋白质纤维的合成版本中复制这些特性。

虽然从蜘蛛的角度来看这种扭转力的目的尚不清楚,但研究人员认为,对水分的超收缩可能是确保网状物在早晨露水时被拉紧的一种方法,也许可以防止它受到损害。最大化其对振动的响应性,以便蜘蛛感知它的猎物。

Buehler说,“我们没有发现扭转运动的任何生物学意义”。但是通过实验室实验和计算机分子建模的结合,他们已经能够确定扭转机制的工作原理。事实证明,这是基于特定种类的蛋白质结构单元的折叠,称为脯氨酸。

调查基础机制需要详细的分子建模,由Tarakanova和Hsu进行。“我们试图为我们的合作者在实验室中发现的东西找到分子机制,”Hsu解释道。“我们实际上找到了一种潜在的机制,”基于脯氨酸。他们表明,在这种特殊的脯氨酸结构到位的情况下,扭曲总是发生在模拟中,但没有它就没有扭曲。

“蜘蛛拉丝是一种蛋白质纤维,”刘解释说。“它由两种主要蛋白质组成,称为MaSp1和MaSp2。” 对于扭转反应至关重要的脯氨酸在MaSp2中发现,当水分子与其相互作用时,它们以不对称的方式破坏其氢键,从而导致旋转。旋转仅沿一个方向进行,并且发生在约70%相对湿度的阈值处。

“蛋白质具有内置的旋转对称性,”Buehler说。通过它的扭转力,它可以“成为一种全新的材料”。现在已经找到了这个属性,他建议,也许它可以用合成材料复制。“也许我们可以制造出能够复制这种行为的新型聚合物材料,”Buehler说。

“丝绸具有独特的超收缩倾向,能够响应外部触发因素(例如湿度)表现出扭转行为,可用于设计响应性的丝绸材料,可以在纳米尺度上进行精确调整,”现任助理教授的塔拉卡诺娃说。康涅狄格大学。“潜在的应用是多种多样的:从湿度驱动的软机器人和传感器,到智能纺织品和绿色能源发电机。”

也可能会发现其他天然材料表现出这种特性,但如果是这样的话,就没有注意到这一点。“这种扭转动作可能会出现在我们还没有看过的其他材料中,”Buehler说。除了可能的人造肌肉之外,该发现还可以产生精确的湿度传感器。

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