Категорії
Різне

М’язи роботів з павутини

Павутина легше бавовни, але її питома міцність вища, ніж у сталі. І, як з’ясувалося, павутинний шовк має ще одну оригінальну особливість, яку планують використати для виготовлення нових видів волокон для штучних м’язів або роботизованих приводів, – при відносній вологості повітря вище певного рівня ці еластичні волокна раптово стискаються і скручуються. Цього виявилось достатньо, щоб конкурувати з іншими матеріалами, які досліджуються в якості актуаторів – функціональних елементів системи автоматичного управління, які рухаються для здійснення якоїсь дії. Результати роботи були представлені в журналі Science Advances в роботі професора MIT Маркуса Бюлера.

М'язи роботів з павутини
Павутина – міцний матеріал

Не так давно науковці виявили дивну властивість павутинного шовку під назвою суперстискаємість, коли тонкі волокна раптово можуть стискатися у відповідь на зміну вологості. Новий висновок полягає в тому, що нитки не тільки стискаються, а й скручуються одночасно, що придає їм незвичайної міцності. «Це нове явище, – говорить Бюлер, – ми виявили випадково». Колеги підтверджують: «Ми хотіли вивчити вплив вологості на драглайн павукового шовку. Для цього підвісили вантаж на цей шовк, щоб створити свого роду маятник, і помістили його в камеру, де могли контролювати відносну вологість. Коли ми збільшили вологість, маятник почав обертатися».

Команда перевірила ряд інших матеріалів, в тому числі людське волосся, але в інших експериментах подібних властивостей не виявила. Перше явище вже спробували застосувати (в теорії) до штучних м’язів. «Це може бути дуже цікаво для спільноти робототехніків», – говорить Бюлер, маючи на увазі новий спосіб управління певними типами датчиків або контрольних пристроїв. «Можна маніпулювати рухами дуже точно, контролюючи вологість».

Павуковий шовк вже відомий своїми винятковими співвідношеннями міцності і ваги, своєю гнучкістю і пружністю. Сьогодні вже кілька груп вчених по всьому світу працюють над тим, щоб відтворити подібні властивості в синтетичній версії волокон на основі білка. Хоча призначення цього скручування в павутинні невідоме. Вчені вважають, що суперстискання у відповідь на вологу – це особлива захисна властивість павутиння від дії ранкової роси або дощу, що може пошкодити його та знизити сприйнятливість до вібрацій, за рахунок яких павук відчуває свою здобич.

Див. також: Павутиння (біоніка)

М'язи роботів з павутини
Павутина – секрет павутинних залоз, який після виділення застигає у формі ниток, подібних за складом до шовку комах, за хімічною природою це білок

«Ми не знайшли ніякого біологічного сенсу» в цьому скручуванні, – говорить Бюлер. Але завдяки комбінації лабораторних експериментів і молекулярному моделюванню за допомогою комп’ютера дослідники змогли визначити, як працює механізм скручування. Як з’ясувалося, він заснований на згортанні певного виду будівельного білка – проліну.

Дослідження цього основного механізму зажадало детального молекулярного моделювання. «Ми спробували знайти молекулярний механізм того, що наші колеги виявили в лабораторії і дійсно знайшли потенційний механізм, заснований на проліні. Саме структура проліну призводить до скручування в павутинному моделюванні».

«Драглайн павутини – це білкове волокно. Воно складається з двох основних білків: MaSp1 і MaSp2». Пролін, необхідний для реакції скручування, знайшли в MaSp2. Коли молекули води взаємодіють з ним, вони руйнують його водневі зв’язки асиметрично, що і викликає скручення. Обертання відбувається тільки в одному напрямку і при 70% відносній вологості.

М'язи роботів з павутини
Пролін – гетероциклічна амінокислота (точніше, імінокіслота), міститься у всіх організмах у вільному вигляді і в складі багатьох білків

«Білок має вбудовану симетрію обертання», – говорить Бюлер. Завдяки такій реакції скручування, тепер є можливим розробити «цілий новий клас матеріалів», відтворити подібний процес в синтетичному матеріалі і створити новий полімерний матеріал, який повторював би таку ж поведінку.

«Унікальна здатність павутинного шовку піддаватися суперстисканню і проявляти обертальну поведінку у відповідь на зовнішні тригери, такі як вологість, може бути використана для розробки чутливих матеріалів на основі павутинного шовку, які можна буде точно налаштовувати на нанорівні. Потенційні області застосування різноманітні – від м’яких роботів і датчиків вологості до розумних тканин і генераторів екологічно чистої енергії».

Може бути і так, що інші природні матеріали володіють цією властивістю, проте їх поки не виявили. А яке застосування бачите ви? Своїм думкою ви можете поділитися в коментарях.

Залишити відповідь