研究人員用蜘蛛絲可以用於未來的人造肌肉

研究人員發現，已經被認為是重量最強的絲綢，還有另一種不尋常的特性，可能會產生新的人造肌肉或機器人。

研究小組發現，彈性纖維對濕度變化的反應非常強烈。空氣中的相對濕度超過一定的水準，它們突然收縮和扭曲，有足夠的力量與正在被探索的其他材料競爭-這些設備移動來執行某些活動，比如控制閥門。

這一發現今天發表在雜誌上。科學進步，本文作者是麻省理工學院土木與環境工程系系主任，麻省理工學院(MIT)土木工程與環境工程系教授，以及前安娜和大學生克萊爾；中國武漢科技大學(University Of Science And Technology)副教授劉(音譯)，以及其他六人。

最近，研究人員發現了蜘蛛絲的一種特性，即細長的纖維會因水分的變化而突然收縮。新的發現是，不僅線程收縮，它們還同時扭曲，提供了強大的非強製性力量。「這是一種新現象，」他說。

「我們最初是偶然發現的，」劉說。「我和同事們想研究濕度對蜘蛛絲的影響。」為了做到這一點，他們從絲綢上懸吊一個重量來製造一種鐘擺，並將它封閉在一個可以控制室內相對濕度的房間裡。「當我們增加濕度時，鐘擺開始轉動。它超出了我們的預期。它真的令我震驚。」

該小組測試了包括人類頭髮在內的其他一些材料，但在他們嘗試的其他材料中沒有發現這樣的動作。但劉說，他馬上就開始思考，這種現象「可能被用於人工肌肉。」

「這對於社區來說非常有趣，」他說，這是一種控制某些類型的感測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精確的。」

蠶絲以其超乎尋常的強度與重量比、柔韌性、韌性或彈性而聞名。世界各地的許多團隊正在努力將這些特性複製到以蛋白質為基礎的纖維的合成版本中。

儘管從蜘蛛的角度來看，這種力量的目的尚不清楚，但研究人員認為，對水分的反應可能是一種方法，可以確保網路在對晨露的反應中被拉緊，或許可以保護它免受傷害，並使它對振動的反應最大化，讓蜘蛛感知獵物。

「我們還沒有找到任何生物學意義」的運動，說。但是，通過實驗室實驗和計算機分子建模的結合，他們已經能夠確定這種機制是如何工作的。結果是基於一種特殊蛋白質組塊的摺疊，這就是所謂的蛋白質組塊。

研究這一潛在機制需要詳細的分子模型，這是由和亞銀進行的。「我們試圖為我們在實驗室中發現的物質找到一種分子機制，」解釋道。「我們實際上找到了一個潛在的機制，」在此基礎上。他們表明，在這種特殊的化學結構到位的情況下，在模擬過程中總是會發生類似的變化，但是沒有這種結構，就不可能再發生。

劉解釋說：「高級蠶絲是一種蛋白質纖維。」「它是由兩種主要蛋白質組成的，一種是蛋白質。」它是在水分子內部發現的，當水分子與水分子相互作用時，水分子會以一種導致旋轉的方式破壞氫鍵。旋轉隻向一個方向，它發生在一個大約70%的相對濕度的閾值。

「蛋白質有一個旋轉對稱性內置，」說。通過它的強大力量，它使「一種全新的材料」成為可能。他認為，既然這種特性已經被發現，也許可以在合成材料中複製。「也許我們可以製造一種新的聚合物材料來複製這種行為，」他說。

「絲絲的獨特之處在於，它能對外界的觸發因素(如濕度)做出反應，並表現出一種不敏感的行為，這可以被用來設計反應靈敏的絲綢材料，這種材料可以精確地調到更高級的材料上，」他說，他現在是美國大學的助理教授。潛在的應用是多種多樣的：從濕度驅動的軟機器人和感測器，到智能紡織品和綠色能源發電機。

也許其他的天然材料也會表現出這種特性，但如果是這樣的話，這一點還沒有被注意到。「這種類似的運動可能會出現在其他我們還沒看過的材料中，」他說。除了可能的人工肌肉，這一發現還可能導致精確的濕度感測器。