Edderkoppesilke kunne bruges som robotmuskel

Edderkoppesilke, allerede kendt som et af de stærkeste materialer for sin vægt, viser sig at have en anden usædvanlig egenskab, der kan føre til nye former for kunstige muskler eller robotaktuatorer, forskere har fundet.

De elastiske fibre, teamet opdagede, reagerer meget kraftigt på ændringer i fugtighed. Over et vist niveau af relativ fugtighed i luften, de trækker sig pludselig sammen og vrider sig, udøve nok kraft til potentielt at være konkurrencedygtig med andre materialer, der udforskes som aktuatorer - enheder, der bevæger sig for at udføre en eller anden aktivitet, såsom at styre en ventil.

Resultaterne bliver rapporteret i dag i tidsskriftet Videnskabens fremskridt , i et papir af MIT professor Markus Buehler, leder af Institut for Civil- og Miljøteknik, sammen med tidligere postdoc Anna Tarakanova og bachelorstuderende Claire Hsu ved MIT; Dabiao Liu, en lektor ved Huazhong University of Science and Technology i Wuhan, Kina; og seks andre.

Forskere opdagede for nylig en egenskab ved edderkoppesilke kaldet superkontraktion, hvor de slanke fibre pludselig kan krympe som reaktion på ændringer i fugt. Den nye opdagelse er, at ikke kun trådene trækker sig sammen, de vrider sig også på samme tid, giver en stærk vridningskraft. "Det er et nyt fænomen, " siger Buehler.

"Vi fandt dette ved et uheld i starten, " siger Liu. "Mine kolleger og jeg ønskede at studere fugtighedens indflydelse på edderkoppesilke." For at gøre det, de suspenderede en vægt fra silken for at lave en slags pendul, og lukkede den ind i et kammer, hvor de kunne kontrollere den relative luftfugtighed indeni. "Da vi øgede luftfugtigheden, pendulet begyndte at rotere. Det var ude af vores forventning. Det chokerede mig virkelig."

Holdet testede en række andre materialer, herunder menneskehår, men fandt ingen sådanne vridende bevægelser i de andre, de forsøgte. Men Liu sagde, at han begyndte at tænke med det samme, at dette fænomen "kan blive brugt til kunstige muskler."

"Dette kunne være meget interessant for robotsamfundet, " Buehler siger, som en ny måde at styre visse slags sensorer eller styreenheder på. "Det er meget præcist i, hvordan du kan kontrollere disse bevægelser ved at kontrollere fugtigheden."

Edderkoppesilke er allerede kendt for sit exceptionelle styrke-til-vægt-forhold, dens fleksibilitet, og dens hårdhed, eller robusthed. En række hold rundt om i verden arbejder på at kopiere disse egenskaber i en syntetisk version af den proteinbaserede fiber.

Mens formålet med denne vridende kraft, fra edderkoppens synspunkt, er ukendt, forskere mener, at superkontraktionen som reaktion på fugt kan være en måde at sikre, at et væv bliver stramt som reaktion på morgendug, måske beskytte den mod skader og maksimere dens lydhørhed over for vibrationer, så edderkoppen kan mærke sit bytte.

"Vi har ikke fundet nogen biologisk betydning" for den vridende bevægelse, siger Buehler. Men gennem en kombination af laboratorieforsøg og molekylær modellering ved computer, de har været i stand til at bestemme, hvordan vridningsmekanismen virker. Det viser sig at være baseret på foldningen af ​​en bestemt slags proteinbyggesten, kaldet prolin.

Undersøgelse af, at den underliggende mekanisme krævede detaljeret molekylær modellering, som blev udført af Tarakanova og Hsu. "Vi forsøgte at finde en molekylær mekanisme for, hvad vores samarbejdspartnere fandt i laboratoriet, " Hsu forklarer. "Og vi fandt faktisk en potentiel mekanisme, " baseret på prolinen. De viste, at med denne særlige prolinstruktur på plads, vridningen forekom altid i simuleringerne, men uden den var der ingen vridning.

"Spider dragline silke er en proteinfiber, " Liu forklarer. "Den er lavet af to hovedproteiner, kaldet MaSp1 og MaSp2. "Prolinen, afgørende for den vridende reaktion, findes i MaSp2, og når vandmolekyler interagerer med det, forstyrrer de dets hydrogenbindinger på en asymmetrisk måde, der forårsager rotationen. Rotationen går kun i én retning, og det foregår ved en tærskel på omkring 70 procent relativ luftfugtighed.

"Proteinet har en indbygget rotationssymmetri, "Siger Buehler. Og gennem sin vridningskraft, det muliggør "en helt ny klasse af materialer." Nu hvor denne ejendom er fundet, han foreslår, måske kan det kopieres i et syntetisk materiale. "Måske kan vi lave et nyt polymermateriale, der ville replikere denne adfærd, " siger Buehler.

"Silks unikke tilbøjelighed til at gennemgå superkontrakt og udvise en vridningsadfærd som reaktion på eksterne udløsere som fugtighed kan udnyttes til at designe lydhøre silkebaserede materialer, der præcist kan indstilles på nanoskalaen, " siger Tarakanova, som nu er assisterende professor ved University of Connecticut. "Potentielle applikationer er forskellige:fra fugtdrevne bløde robotter og sensorer, til smarte tekstiler og grønne energigeneratorer."

Det kan også vise sig, at andre naturlige materialer udviser denne egenskab, men i så fald er det ikke blevet bemærket. "Denne form for vridningsbevægelse kan findes i andre materialer, som vi ikke har set på endnu, " siger Buehler. Ud over mulige kunstige muskler, fundet kunne også føre til præcise sensorer for fugt.