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蜘蛛絲已被稱為最重的材料之它具有另一種不尋常的特性

文章作者:www.utbltn.icu發布時間:2020-01-14瀏覽次數:1664

研究人員發現蜘蛛絲被稱為最重的材料之一,它還有另一個不尋常的特征,可以產生新的人造肌肉或機器人執行器。

該團隊發現彈性纖維對濕度變化的反應非常強烈。在空氣中的相對濕度高于一定水平的情況下,它們突然收縮和扭曲,施加足夠的力以與作為致動器探索的其他材料競爭 - 這些裝置可以執行某些活動,例如控制閥門。

今天的研究結果發表在“科學進步”雜志上,麻省理工學院土木與環境工程系主任Markus Buehler,以及麻省理工學院前博士后Anna Tarakanova和本科生Claire Hsu。劉大釗,華中科技大學副教授,武漢;和另外六個人。

研究人員最近發現了一種稱為超收縮的蜘蛛絲屬性,其中細長纖維隨著水分的變化會突然收縮。新的發現是,不僅線程縮小,它們同時扭曲,提供強大的扭轉。 “這是一種新現象,”Buehler說。

“我們首先偶然發現了這一點,”劉說。 “我的同事和我想研究濕度對蜘蛛繪圖的影響。”為此,他們將重物掛在絲上制成一個擺錘并將其密封在一個控制內部相對濕度的房間內。 “當我們增加濕度時,鐘擺開始旋轉。這超出了我們的預期。這令我震驚。“

該團隊測試了許多其他材料,包括人發,但在他們嘗試過的其他材料中沒有發現這種扭曲動作。但劉說,他立即開始考慮這種現象“可能用于人造肌肉”。

“這對機器人社區來說非常有趣,”Buehler說,這是一種控制某些傳感器或控制設備的新方法。 “通過控制濕度來控制這些運動是非常準確的。”

蜘蛛絲因其優異的強度重量比,柔韌性,韌性或彈性而聞名。世界上許多團隊正致力于在蛋白質纖維的合成版本中復制這些功能。

雖然從蜘蛛的角度來看這種扭力的目的并不明確,但研究人員認為,水分的過度收縮可能是確保在晨露過程中收緊網狀物并防止其受到影響的一種方法。損傷。最大化其對振動的響應性,以便蜘蛛感知它的獵物。

Buehler說:“我們沒有發現扭轉運動的任何生物學意義。”但是通過實驗室實驗和計算機分子建模的結合,他們已經能夠確定扭轉機構的工作原理。事實證明,這是基于特定種類的蛋白質結構單元纈氨酸的折疊。

對潛在機制的研究需要Tarakanova和Hsu進行詳細的分子建模。 “我們試圖找到合作者在實驗室中發現的分子機制,”Hsu解釋道。 “我們實際上找到了一種潛在的機制,”基于脯氨酸。他們表明,在這種特殊的脯氨酸結構到位的情況下,失真總是在模擬中發生,但沒有它就沒有失真。

“蜘蛛刷是一種蛋白質纖維,”劉解釋說。 “它由兩種主要的蛋白質組成,稱為MaSp1和MaSp2。”在MaSp2中發現了對扭轉反應至關重要的脯氨酸,當水分子與它們相互作用時,它們以不對稱的方式破壞它們的氫鍵。這會導致旋轉。旋轉僅在一個方向上發生,并且發生在約70%相對濕度的閾值處。

“抗菌具有內置的旋轉對稱性,”Buehler說。通過它的扭轉,它可以“成為一種全新的材料”。現在已經找到了這個屬性,他建議也許它可以用合成材料復制。 “也許我們可以創造出能夠復制這種行為的新型聚合物材料,”Buehler說。

“絲綢具有過度收縮的獨特趨勢,表現出響應外部觸發因素(如濕度)的扭轉行為,并可用于設計可在納米尺度上精確調整的響應絲材料,”現任助理教授說。塔拉卡諾說,寶貝。康涅狄格大學。 “潛在的應用是多種多樣的:從濕度驅動的軟機器人和傳感器到智能紡織品和綠色能源發電機。”

也可以發現其他天然材料表現出這種特性,但如果是這種情況,則不會注意到這一點。 “這種扭轉動作可能發生在我們尚未見過的其他材料中,”Buehler說。除了可能的人造肌肉,這一發現還可以產生精確的濕度傳感器。

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