蛛丝的超缩-扭转特性可应用于“人造肌肉” 学术资讯

从斑络新妇蜘蛛体内挤出蛛丝。

研究人员对斑络新妇蜘蛛进行实验室研究。

用蛛丝制成的扭摆。

就其质量而言，蜘蛛丝可能是最坚韧的材料之一。除却坚韧的特性，蜘蛛丝可能还蕴藏有其他非同寻常的性质，可能用于新型人造肌肉或机器人驱动器的制造。《科学进展》杂志近日报道，美国麻省理工学院（MIT）土木与环境工程系主任Markus Buehler和中国华中科技大学（Huazhong University of Science and Technology）副教授Dabiao Liu等发现，蛛丝这种弹性纤维具有超缩-扭转特性。它对湿度变化非常敏感，当空气中相对湿度的变化达到一定水平时，它不仅会突然收缩，还会扭曲，产生巨大的扭转力。Buehler说：“我们在蛛丝中有了新发现。”Liu补充说：“蛛丝的新特性源于我们的偶然发现。我和同事们尝试研究湿度对蜘蛛丝的影响。为了达到这个目的，我们在蛛丝上系上了一个重物，制造了一个‘钟摆’，并将其密闭在一个可以控制相对湿度的反应室中。当湿度增加时，我们发现钟摆竟然开始旋转了。这非常出乎我们的意料。”Liu等还测试了其他一些材料（如人类头发），但并未发现类似的扭曲运动。Liu说，他马上意识到，这或许可以用于人造肌肉。Buehler说：“这对机器人技术来讲非常有趣。利用湿度来控制传感器是一种新思路，这是一种非常精确的控制方式。”

蜘蛛丝因其出色的强度-质量比和柔韧性而举世闻名。很多研究人员都在努力在人造蛛丝中复制这些特性。然而，从蜘蛛的角度讲，蛛丝产生的扭转力的目的尚不清楚。研究人员认为蛛丝的超缩可能是为了应对晨露，维持蛛网稳定性、保护蜘蛛免受伤害以及最大化猎物的振动响应。Buehler说：“我们还没有发现任何关于扭转运动的生物学意义。”通过结合室内实验结果和计算机分子模型，Buehler等已经能够确定扭转机制的工作原理了——它是基于脯氨酸的蛋白质构建块的折叠。MIT前博士后研究人员 Anna Tarakanova和本科生Claire Hsu对扭转机制的详细分子模型进行了研究。Hsu说： “我们发现扭转力的源泉是脯氨酸。”Liu解释说：“蜘蛛丝是一种蛋白质纤维，它主要由MaSp1和MaSp2两种蛋白质组成。脯氨酸存在于MaSp2中，当水分子与它相互作用时，氢键会被一种不对称方式所破坏，从而导致扭转。蛛丝的扭转只朝一个方向进行，触发阈值大约为70%相对湿度。”

Buehler 介绍道，这种蛋白质固有旋转对称性产生的扭转力，可以用于全新材料的设计。如果能在人工合成材料中进行复制，可能催生诸如精确湿度传感器等应用。Tarakanova认为，蛛丝在湿度变化条件下表现出的超缩-扭转倾向，可以用于设计灵敏的蛛丝基材料、智能纺织品和绿色能源发动机等，这种材料的性能可以在纳米尺度上进行控制。

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编译：雷鑫宇

审稿：阿淼

责编：唐林芳

期刊来源：《科学进展》

期刊编号：2375-2548

原文链接：

https://phys.org/news/2019-03-spider-silk-robotic-muscle.html