Мышцы для роботов из паутины
Использование шелка паука для мышц роботов
Способность паучьего шелка сокращаться и закручиваться при относительной влажности воздуха выше определенного уровня может помочь в создании искусственных мышц для мягкой робототехники или при разработке умных тканей.
Паучий шелк известен своим исключительным соотношением прочности и веса, своей гибкостью и прочностью или упругостью. Ряд команд по всему миру работают над тем, чтобы воспроизвести эти свойства в синтетической версии волокон на основе белка.
Каждый может легко смахнуть паутину, висящую между ветками дерева или под потолком в дальнем углу комнаты. Но мало кто знает, что если бы паутина имела диаметр 1 мм, то она могла бы выдержать груз массой приблизительно 200 кг. Стальная проволока того же диаметра выдерживает существенно меньше: 30–100 кг, в зависимости от типа стали. Почему же паутина обладает такими исключительными свойствами?
Некоторые пауки прядут до семи типов нитей, каждая из которых имеет собственное назначение. Нити могут использоваться не только для ловли добычи, но и для строительства коконов и парашютирования (взлетая на ветру, пауки могут уходить от внезапной угрозы, а молодые пауки таким способом расселяются на новые территории). Каждый из типов паутины производится специальными железами.
Паутина, используемая для ловли добычи, состоит из нескольких типов нитей: каркасной, радиальной, ловчей и вспомогательной. Наибольший интерес ученых вызывает каркасная нить: она имеет одновременно высокую прочность и высокую эластичность — именно это сочетание свойств является уникальным. Предельное напряжение на разрыв каркасной нити паука Araneus diadematus составляет 1,1–2,7. Для сравнения: предел прочности стали 0,4–1,5 ГПа, человеческого волоса — 0,25 ГПа. В то же время каркасная нить способна растягиваться на 30–35%, а большинство металлов выдерживают деформацию не более 10–20%.
Исследователи обнаружили, что паучий шелк, уже известный как один из самых прочных материалов для своего веса, обладает еще одним необычным свойством, которое может привести к появлению новых видов искусственных мышц или роботизированных приводов. Об этих результатах сообщается в журнале Science Advances в статье профессора MIT Маркуса Бюлера, заведующего кафедрой гражданского и экологического инжиниринга, в соавторстве с Анной Таракановой и Клэр Хсу, Дабяо Лю, доцентом Университета науки и технологии Хуачжун в Ухане, Китай, и другими.
Эластичные волокна очень сильно реагируют на изменения влажности. Выше определенного уровня относительной влажности воздуха они внезапно сжимаются и закручиваются, прилагая достаточное усилие, чтобы потенциально конкурировать с другими материалами, которые исследуются в качестве исполнительных механизмов - устройств, которые перемещаются для выполнения некоторой деятельности, такой как управление клапаном.
Новый вывод заключается в том, что нити не только сжимаются, но и скручиваются одновременно, создавая сильную скручивающую силу. Для этого ученые подвесили груз на нить из паучьего шелка, чтобы сделать своего рода маятник, и поместили его в камеру, где могли контролировать относительную влажность внутри. Когда увеличили влажность, маятник начал вращаться.
«Паучий шелк - это белковое волокно», - объясняет Лю. «Он состоит из двух основных белков, называемых MaSp1 и MaSp2». Пролин, имеющий решающее значение для реакции скручивания, находится внутри MaSp2, и когда молекулы воды взаимодействуют с ним, они нарушают его водородные связи асимметричным образом, что вызывает вращение. Вращение происходит только в одном направлении и происходит при пороге относительной влажности около 70%.
«Белок имеет встроенную симметрию вращения», - говорит Бюлер. И благодаря своей силе кручения он делает возможным «совершенно новый класс материалов». Теперь, когда это свойство было найдено, он предполагает, что, возможно, оно может быть воспроизведено в синтетическом материале. «Может быть, мы сможем создать новый полимерный материал, который бы повторял это поведение», - говорит Бюлер.
Эти исследователи «использовали известную высокую чувствительность шелка к влаге и продемонстрировали, что его также можно использовать интересным способом для создания очень точных торсионных приводов», - говорит Йонгганг Хуанг, профессор гражданского и экологического машиностроения и машиностроения в Северо-Западном университете, который не был вовлечен в эту работу. «Использование шелка в качестве торсионного привода - это новая концепция, которая может найти применение во многих областях, от электроники до биомедицины, например, гигроскопических искусственных мышц и датчиков влажности», - говорит он.
Хуанг добавляет: «Что особенно примечательно в этой работе, так это то, что она объединяет молекулярное моделирование, экспериментальную валидацию и глубокое понимание того, как элементарные изменения в химической связи переходят в макроскопические явления. Это очень важно с точки зрения фундаментальной науки, а также интересно для приложений».
Когда заходит речь о применении паутины, возникает вопрос о том, как ее получать в промышленных количествах. В мире существуют установки для «доения» пауков, которые вытягивают нити и наматывают их на специальные катушки. Однако такой способ неэффективен: чтобы накопить 500 г паутины, необходимо 27 тысяч средних пауков. И тут на помощь исследователям приходит биоинженерия. Современные технологии позволяют внедрить гены, кодирующие белки паутины, в различные живые организмы, например в бактерии или дрожжи. Эти генетически модифицированные организмы становятся источниками искусственной паутины. Белки, полученные методами генной инженерии, называются рекомбинантными. Отметим, что обычно рекомбинантные спидроины гораздо меньше природных, но структура молекулы (чередование гидрофильных и гидрофобных участков) остается неизменной.
Есть уверенность, что искусственная паутина по своим свойствам не будет уступать природной и найдет свое практическое применение как прочный и экологически чистый материал. В России исследованиями свойств паутины совместно занимаются несколько научных групп из различных институтов. Получение рекомбинантной паутины осуществляют в Государственном научно-исследовательском институте генетики и селекции промышленных микроорганизмов, физические и химические свойства белков исследуют на кафедре биоинженерии биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, изделия из белков паутины формируют в Институте биоорганической химии РАН, их медицинскими применениями занимаются в Институте трансплантологии и искусственных органов.
подготовлено по материалам:
