Ученые нашли способ создать искусственные мышцы по аналогии со спиралью ДНК

Прочитано: 153 раз(а)
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (1 голосов, среднее: 5,00 из 5)
Loading ... Loading ...


Двойная спираль ДНК — один из самых знаковых символов в науке. Имитируя структуру этой сложной генетической молекулы, мы нашли способ сделать искусственные мышечные волокна намного более мощными, чем те, что встречаются в природе, с потенциальным применением во многих видах миниатюрных механизмов, таких как протезы рук и ловкие роботизированные устройства.

Ученые нашли способ создать искусственные мышцы по аналогии со спиралью ДНК

Сила спирали

ДНК — не единственная спираль в природе. Просмотрите любой учебник биологии, и вы увидите спирали повсюду, от формы альфа-спирали отдельных белков до спиралей «спиральной спирали» волокнистых белковых ансамблей, таких как кератин в волосах.

Некоторые бактерии, например спирохеты , имеют спиралевидную форму. Даже клеточные стенки растений могут содержать спирально расположенные волокна целлюлозы.

Мышечная ткань также состоит из спирально обернутых белков, которые образуют тонкие нити. И есть много других примеров, которые ставят вопрос о том, дает ли спираль определенное эволюционное преимущество.

Многие из этих естественных спиральных структур участвуют в движении вещей, таких как открытие семенных коробочек и скручивание стволов, языков и щупалец. Эти системы имеют общую структуру: спирально ориентированные волокна, встроенные в мягкую матрицу, которая позволяет выполнять сложные механические действия, такие как изгиб, скручивание, удлинение и укорачивание или свертывание.

Эта универсальность в достижении сложной смены формы может указывать на причину преобладания спиралей в природе.

Волокна в изгибе

Десять лет назад моя работа над искусственными мышцами заставила меня много думать о спиралях. Мы с коллегами открыли простой способ создания мощных вращающихся искусственных мышечных волокон путем простого скручивания синтетической пряжи.

Эти волокна пряжи могли вращаться, раскручиваясь, когда мы увеличивали объем пряжи, нагревая ее, заставляя поглощать небольшие молекулы, или заряжая ее как аккумулятор. Усадка волокна приводила к повторному скручиванию волокон.

Мы продемонстрировали, что эти волокна могут вращать ротор со скоростью до 11500 оборотов в минуту. Хотя волокна были небольшими, мы показали, что они могут создавать примерно такой же крутящий момент на килограмм, как и большие электродвигатели.


Ключевым моментом было убедиться, что спирально расположенные волокна пряжи достаточно жесткие. Чтобы обеспечить увеличение общего объема пряжи, отдельные нити должны либо растягиваться по длине, либо раскручиваться. Когда волокна слишком жесткие, чтобы их можно было растянуть, в результате происходит раскручивание пряжи.

Ученые нашли способ создать искусственные мышцы по аналогии со спиралью ДНК

Изучение ДНК

Совсем недавно я понял, что молекулы ДНК ведут себя как наша раскручивающаяся пряжа. Биологи, изучающие одиночные молекулы ДНК, показали, что двухцепочечная ДНК раскручивается, когда обрабатывается небольшими молекулами, которые внедряются в структуру двойной спирали.

Основа ДНК представляет собой жесткую цепочку молекул, называемых сахарными фосфатами, поэтому, когда небольшие вставленные молекулы раздвигают две цепи ДНК, двойная спираль раскручивается. Эксперименты также показали, что если концы ДНК привязаны, чтобы они не вращались, раскручивание приводит к «сверхспирализации»: молекула ДНК образует петлю, которая обвивается вокруг себя.

Фактически, специальные белки вызывают скоординированную сверхспирализацию в наших клетках, чтобы упаковать молекулы ДНК в крошечное ядро.

Мы также видим сверхнамотку в повседневной жизни, например, когда садовый шланг запутывается. Скручивание любого длинного волокна может вызвать сверхспирание, которое при обработке текстильных изделий известно как «рычание» или «скручивание», когда кабели заедают.

Суперспирализация для более сильных «искусственных мышц»

Наши последние результаты показывают, что суперспирализация, подобная ДНК, может быть вызвана набуханием предварительно скрученных текстильных волокон. Мы сделали композитные волокна из двух полиэфирных швейных ниток, каждая из которых покрыта гидрогелем, который набухает при намокании, а затем пары скручиваются вместе.

Набухание гидрогеля при его погружении в воду привело к раскручиванию композитного волокна. Но если концы волокна зажимались, чтобы прекратить раскручивание, волокно вместо этого начинало суперспираться.

В результате волокно сократилось на 90% от своей первоначальной длины. В процессе усадки он выполнял механическую работу, эквивалентную выделению 1 джоуля энергии на грамм сухого волокна.

Для сравнения, мышечные волокна таких млекопитающих, как мы, сжимаются только примерно на 20% от своей первоначальной длины и производят работу 0,03 джоуля на грамм. Это означает, что такое же подъемное усилие может быть достигнуто в сверхспиральном волокне, которое в 30 раз меньше в диаметре по сравнению с нашими собственными мышцами.

Ученые нашли способ создать искусственные мышцы по аналогии со спиралью ДНК

Почему искусственные мышцы?

Искусственные мышечные материалы особенно полезны в приложениях, где пространство ограничено. Например, новейшие протезы рук с моторным приводом впечатляют, но в настоящее время они не соответствуют ловкости человеческой руки. Для воспроизведения полного диапазона движений, типов захвата и силы здорового человека необходимо больше исполнительных механизмов.

Электродвигатели становятся намного менее мощными по мере уменьшения их размеров, что делает их менее полезными в протезировании и других миниатюрных машинах. Однако искусственные мышцы поддерживают высокую работу и выходную мощность в небольших масштабах.

Чтобы продемонстрировать их потенциальное применение, мы использовали наши сверхспиральные мышечные волокна, чтобы открывать и закрывать миниатюрные пинцеты. Такие инструменты могут быть частью следующего поколения неинвазивных хирургических или роботизированных хирургических систем.

За последнее десятилетие исследователи представили много новых типов искусственных мышц. Это очень активная область исследований, обусловленная необходимостью миниатюрных механических устройств. Несмотря на значительный прогресс, у нас все еще нет искусственной мышцы, которая полностью соответствовала бы характеристикам естественной мышцы: большие сокращения, высокая скорость, эффективность, длительный срок службы, бесшумная работа и безопасная для использования при контакте с людьми.

Новые суперскрученные мышцы приближают нас на один шаг к этой цели, представляя новый механизм для создания очень больших сокращений. В настоящее время наши волокна работают медленно, но мы видим возможности для значительного увеличения скорости реакции, и это будет предметом текущих исследований.

Ученые нашли способ создать искусственные мышцы по аналогии со спиралью ДНК



Новости партнеров

Загрузка...