Павуковий шовк запропонували використовувати в якості м’язів роботів
Павуковий шовк, вже відомий як один з найміцніших матеріалів зі своєю вагою, володіє ще однією незвичайною властивістю, що може призвести до появи нових видів штучних м’язів або роботизованих приводів, виявили вчені. Еластичні волокна, як з’ясувалося, дуже сильно реагують на зміни вологості. Вище певного рівня відносної вологості повітря раптово вони стискаються і скручуються, докладаючи достатню силу, щоб конкурувати з іншими матеріалами, які досліджуються в якості актуаторів — тобто, пристроїв, які рухаються для здійснення якоїсь активності, начебто управління клапаном.
Результати роботи були представлені в журналі Science Advances в роботі професора MIT Маркуса Бюлера.
Павутина — надміцний матеріал
Дослідники не так давно виявили дивовижну властивість шовку під назвою суперзжатість, коли тонкі волокна можуть раптово стискатися у відповідь на зміну вологості. Новий висновок полягає в тому, що нитки не тільки стискуються, але і скручуються одночасно, створюючи сильну скручуючу силу. «Це нове явище», говорить Бюлер.
«Ми виявили це випадково», підтверджують його колеги. «Ми хотіли вивчити вплив вологості на драглайн шовку». Для цього вони підвісили вантаж на шовк, щоб створити свого роду маятник, і помістили його в камеру, де могли контролювати відносну вологість всередині. «Коли ми збільшили вологість, маятник почав обертатися. Цього ми не очікували».
Команда перевірила ряд інших матеріалів, в тому числі людські волосся, але не виявила таких скручивающих рухів в інших експериментах. Однак перше явище вже спробували застосувати (в теорії) до штучних м’язів.
«Це може бути дуже цікаво для спільноти робототехніки», говорить Бюлер, маючи на увазі новий спосіб управління певними типами датчиків або контрольних пристроїв. «Можна маніпулювати рухами дуже точно, контролюючи вологість».
Павуковий шовк вже відомий своїм винятковим співвідношення міцності та ваги, своєю гнучкістю і пружністю. Кілька груп вчених по всьому світу працюють над тим, щоб відтворити ці властивості синтетичної версії волокон на основі білка.
Хоча призначення цієї скручуючої сили, з точки зору павука, невідома, учені вважають, що суперзжатість у відповідь на вологу може бути способом переконатися, що мережа натягнута, коли на ній виступає ранкова роса, яка може пошкодити її і знизити сприйнятливість до вібрації, за рахунок якої павук відчуває свою здобич.
«Ми не знайшли ніякого біологічного сенсу» в цьому русі, говорить Бюлер. Але завдяки комбінації лабораторних експериментів і молекулярного моделювання за допомогою комп’ютера вони змогли визначити, як працює механізм скручування. Виявляється, він заснований на згортанні певного виду будівельного білка, званого пролін.
Дослідження цього основного механізму вимагало детального молекулярного моделювання. «Ми спробували знайти молекулярний механізм того, що наші колеги виявили в лабораторії. І ми дійсно знайшли потенційний механізм, заснований на пролині». Вони показали, що саме структура проліну призводить до скручування в моделюванні.
«Драглайн павутини — це білкове волокно. Він складається з двох основних білків, MaSp1 і MaSp2». Пролін, необхідний для реакції скручування, знайшли в MaSp2, і коли молекули води взаємодіють з ним, вони руйнують його водневі зв’язки асиметрично, що викликає кручення. Обертання відбувається тільки в одному напрямку і при відносній вологості до 70%.
«Білок має вбудовану симетрію обертання», говорить Бюлер. І завдяки його силі кручення, він робить можливим «цілий новий клас матеріалів». Можливо, його вдасться відтворити в синтетичному матеріалі і створити новий полімерний матеріал, який повторював би цю поведінку.
«Унікальна здатність шовку піддаватися суперстисканню і проявляти обертальну поведінку у відповідь на зовнішні тригери, такі як вологість, може бути використана для розробки чутливих матеріалів на основі шовку, які можна буде точно налаштувати на нанорівні. Потенційні області застосування різноманітні: від м’яких роботів і датчиків вологості до розумних тканин і генераторів екологічно чистої енергії».
Може бути і так, що інші природні матеріали володіють цією властивістю, однак їх поки не виявили. А яке застосування бачите ви? Розкажіть в коментарях.
