Bio-inspireret gelmateriale kan hjælpe ingeniører med at kontrollere bevægelser af bløde robotter

Et nyt materiale, der naturligt tilpasser sig skiftende miljøer, er inspireret af styrken, stabilitet, og mekanisk ydeevne af kæben på en marineorm. Proteinmaterialet, som er designet og modelleret af forskere fra Laboratory for Atomistic and Molecular Mechanics (LAMM) i Institut for Civil- og Miljøteknik (CEE), og syntetiseret i samarbejde med Air Force Research Lab (AFRL) på Wright-Patterson Air Force Base, Ohio, udvider og trækker sig sammen baseret på ændrede pH-niveauer og ionkoncentrationer. Det blev udviklet ved at studere, hvordan kæben på Nereis virens, en sandorm, former og tilpasser sig i forskellige miljøer.

Det resulterende pH- og ionfølsomme materiale er i stand til at reagere og reagere på sit miljø. At forstå denne naturligt forekommende proces kan være særlig nyttig til aktiv kontrol af bevægelsen eller deformationen af ​​aktuatorer til blød robotteknologi og sensorer uden brug af ekstern strømforsyning eller komplekse elektroniske styreenheder. Det kan også bruges til at bygge autonome strukturer.

"Evnen til dramatisk at ændre materialets egenskaber, ved at ændre dens hierarkiske struktur begyndende på det kemiske niveau, giver nye spændende muligheder for at tune materialet, og at bygge videre på det naturlige materialedesign til nye tekniske applikationer, " skrev Markus J. Buehler, McAfee professor i ingeniørvidenskab, leder af CEE, og seniorforfatter af papiret.

Forskningen, for nylig udgivet i ACS Nano , viser, at afhængigt af ioner og pH-niveauer i miljøet, proteinmaterialet udvider sig og trækker sig sammen til forskellige geometriske mønstre. Når forholdene ændres igen, materialet vender tilbage til sin oprindelige form. Dette gør det særligt anvendeligt til smarte kompositmaterialer med justerbar mekanik og selvdrevne robotister, der bruger pH-værdi og iontilstand til at ændre materialets stivhed eller generere funktionelle deformationer.

At finde inspiration i de stærke, stabil kæbe af en marineorm

For at skabe bio-inspirerede materialer, der kan bruges til blød robotteknologi, sensorer, og andre anvendelser - såsom den, der er inspireret af Nereis - ingeniører og videnskabsmænd ved LAMM og AFRL havde brug for først at forstå, hvordan disse materialer dannes i Nereis-ormen, og hvordan de i sidste ende opfører sig i forskellige miljøer. Denne forståelse involverede udviklingen af ​​en model, der omfatter alle forskellige længdeskalaer fra atomniveau, og er i stand til at forudsige den materielle adfærd. Denne model hjælper til fuldt ud at forstå Nereis-ormen og dens exceptionelle styrke.

"At arbejde med AFRL gav os mulighed for at parre vores atomistiske simuleringer med eksperimenter, " sagde CEE-forsker Francisco Martin-Martinez. AFRL syntetiserede eksperimentelt en hydrogel, et gel-lignende materiale, der hovedsagelig består af vand, som er sammensat af rekombinant Nvjp-1-protein, der er ansvarlig for den strukturelle stabilitet og imponerende mekaniske ydeevne af Nereis-kæben. Hydrogelen blev brugt til at teste, hvordan proteinet krymper og ændrer adfærd baseret på pH og ioner i miljøet.

Nereis-kæben er for det meste lavet af organisk materiale, hvilket betyder, at det er et blødt proteinmateriale med en konsistens svarende til gelatine. På trods af dette, dens styrke, som er blevet rapporteret at have en hårdhed på mellem 0,4 og 0,8 gigapascal (GPa), svarer til hårdere materialer som human dentin. "Det er ret bemærkelsesværdigt, at dette bløde proteinmateriale, med en konsistens svarende til Jell-O, kan være lige så stærke som forkalkede mineraler, der findes i menneskeligt dentin og hårdere materialer såsom knogler, " sagde Buehler.

På MIT, forskerne kiggede på sammensætningen af ​​Nereis-kæben på en molekylær skala for at se, hvad der gør kæben så stærk og adaptiv. I denne skala, de metalkoordinerede tværbindinger, tilstedeværelsen af ​​metal i dets molekylære struktur, give et molekylært netværk, der gør materialet stærkere og samtidig gør molekylebindingen mere dynamisk, og i sidste ende i stand til at reagere på skiftende forhold. På makroskopisk skala, disse dynamiske metal-protein-bindinger resulterer i en ekspansions-/kontraktionsadfærd.

Ved at kombinere proteinstrukturundersøgelserne fra AFRL med molekylær forståelse fra LAMM, Bühler, Martin-Martinez, CEE-forsker Zhao Qin, og tidligere ph.d.-studerende Chia-Ching Chou '15, skabt en multiskalamodel, der er i stand til at forudsige den mekaniske opførsel af materialer, der indeholder dette protein i forskellige miljøer. "Disse atomistiske simuleringer hjælper os med at visualisere de atomare arrangementer og molekylære konformationer, der ligger til grund for den mekaniske ydeevne af disse materialer, " sagde Martin-Martinez.

Specifikt, ved hjælp af denne model var forskerholdet i stand til at designe, prøve, og visualisere, hvordan forskellige molekylære netværk ændrer sig og tilpasser sig forskellige pH-niveauer, under hensyntagen til de biologiske og mekaniske egenskaber.

Ved at se på den molekylære og biologiske sammensætning af en Nereis virens og bruge den prædiktive model for den mekaniske adfærd af det resulterende proteinmateriale, LAMM-forskerne var i stand til bedre at forstå proteinmaterialet i forskellige skalaer og give en omfattende forståelse af, hvordan sådanne proteinmaterialer dannes og opfører sig i forskellige pH-indstillinger. Denne forståelse guider nye materialedesigns til bløde robotter og sensorer.

Identifikation af sammenhængen mellem miljøegenskaber og bevægelse i materialet

Den forudsigende model forklarede, hvordan de pH-følsomme materialer ændrer form og adfærd, som forskerne brugte til at designe nye PH-ændrende geometriske strukturer. Afhængig af den originale geometriske form testet i proteinmaterialet og egenskaberne omkring det, LAMM-forskerne fandt, at materialet enten spiraler eller antager en Cypraea-skallignende form, når pH-niveauerne ændres. Dette er kun nogle eksempler på det potentiale, som dette nye materiale kunne have til at udvikle bløde robotter, sensorer, og autonome strukturer.

Ved at bruge den prædiktive model, forskerholdet fandt ud af, at materialet ikke kun ændrer form, men det vender også tilbage til sin oprindelige form, når pH-niveauerne ændres. På molekylært niveau, histidinaminosyrer, der findes i proteinet, binder sig stærkt til ionerne i miljøet. Denne meget lokale kemiske reaktion mellem aminosyrer og metalioner har en effekt i den overordnede konformation af proteinet i større skala. Når miljøforholdene ændrer sig, histidin-metal-interaktionerne ændres tilsvarende, som påvirker proteinkonformationen og igen materialets respons.

"At ændre pH eller ændre ionerne er som at dreje på en kontakt. Du tænder eller slukker den, afhængigt af hvilket miljø du vælger, og hydrogelen udvider sig eller trækker sig sammen," sagde Martin-Martinez.

LAMM fandt, at på molekylært niveau, proteinmaterialets struktur styrkes, når miljøet indeholder zinkioner og visse pH-niveauer. Dette skaber mere stabile metalkoordinerede tværbindinger i materialets molekylære struktur, hvilket gør molekylerne mere dynamiske og fleksible.

Denne indsigt i materialets design og dets fleksibilitet er yderst nyttig i miljøer med skiftende pH-niveauer. Dens reaktion på at ændre sin figur til skiftende surhedsniveauer kunne bruges til blød robotteknologi. "De fleste bløde robotter kræver strømforsyning for at drive bevægelsen og for at blive styret af komplekse elektroniske enheder. Vores arbejde hen imod design af multifunktionelt materiale kan give en anden vej til direkte at kontrollere materialets egenskaber og deformation uden elektroniske enheder, " sagde Qin.

Ved at studere og modellere den molekylære sammensætning og adfærden af ​​det primære protein, der er ansvarligt for de mekaniske egenskaber, der er ideelle for Nereis kæbeydelse, LAMM-forskerne er i stand til at forbinde miljøegenskaber med bevægelse i materialet og har en mere omfattende forståelse af styrken af ​​Nereis-kæben.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.