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蜘蛛丝已被称为最重的材料之它具有另一种不寻常的特性

文章作者:www.cs-vaccine.com发布时间:2019-09-05浏览次数:1672

研究人员发现蜘蛛丝被称为最重的材料之一,它还有另一个不寻常的特征,可以产生新的人造肌肉或机器人执行器。

该团队发现弹性纤维对湿度变化的反应非常强烈。在空气中的相对湿度高于一定水平的情况下,它们突然收缩和扭曲,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“科学进步”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。刘大钊,华中科技大学副教授,武汉;和另外六个人。

研究人员最近发现了一种称为超收缩的蜘蛛丝属性,其中细长纤维随着水分的变化会突然收缩。新的发现是,不仅线程缩小,它们同时扭曲,提供强大的扭转。 “这是一种新现象,”Buehler说。

“我们首先偶然发现了这一点,”刘说。 “我的同事和我想研究湿度对蜘蛛绘图的影响。”为此,他们将重物挂在丝上制成一个摆锤并将其密封在一个控制内部相对湿度的房间内。 “当我们增加湿度时,钟摆开始旋转。这超出了我们的预期。这令我震惊。“

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,他立即开始考虑这种现象“可能用于人造肌肉”。

“这对机器人社区来说非常有趣,”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是非常准确的。”

蜘蛛丝因其优异的强度重量比,柔韧性,韧性或弹性而闻名。世界上许多团队正致力于在蛋白质纤维的合成版本中复制这些功能。

虽然从蜘蛛的角度来看这种扭力的目的并不明确,但研究人员认为,水分的过度收缩可能是确保在晨露过程中收紧网状物并防止其受到影响的一种方法。损伤。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构的工作原理。事实证明,这是基于特定种类的蛋白质结构单元缬氨酸的折叠。

对潜在机制的研究需要Tarakanova和Hsu进行详细的分子建模。 “我们试图找到合作者在实验室中发现的分子机制,”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,失真总是在模拟中发生,但没有它就没有失真。

“蜘蛛刷是一种蛋白质纤维,”刘解释说。 “它由两种主要的蛋白质组成,称为MaSp1和MaSp2。”在MaSp2中发现了对扭转反应至关重要的脯氨酸,当水分子与它们相互作用时,它们以不对称的方式破坏它们的氢键。这会导致旋转。旋转仅在一个方向上发生,并且发生在约70%相对湿度的阈值处。

“抗菌具有内置的旋转对称性,”Buehler说。通过它的扭转,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。 “也许我们可以创造出能够复制这种行为的新型聚合物材料,”Buehler说。

“丝绸具有过度收缩的独特趋势,表现出响应外部触发因素(如湿度)的扭转行为,并可用于设计可在纳米尺度上精确调整的响应丝材料,”现任助理教授说。塔拉卡诺说,宝贝。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。”

也可以发现其他天然材料表现出这种特性,但如果是这种情况,则不会注意到这一点。 “这种扭转动作可能发生在我们尚未见过的其他材料中,”Buehler说。除了可能的人造肌肉,这一发现还可以产生精确的湿度传感器。