spin zijde, al bekend als een van de sterkste materialen vanwege zijn gewicht, blijkt een andere ongebruikelijke eigenschap te hebben die zou kunnen leiden tot nieuwe soorten kunstmatige spieren of robotactuatoren, onderzoekers hebben gevonden.

De veerkrachtige vezels, het team ontdekte, zeer sterk reageren op veranderingen in vochtigheid. Boven een bepaald niveau van relatieve vochtigheid in de lucht, ze trekken plotseling samen en draaien, voldoende kracht uitoefenen om potentieel te concurreren met andere materialen die worden onderzocht als actuatoren - apparaten die bewegen om een ​​bepaalde activiteit uit te voeren, zoals het besturen van een klep.

De bevindingen worden vandaag gerapporteerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , in een paper van MIT-professor Markus Buehler, hoofd van de afdeling Civiele Techniek en Milieutechniek, samen met voormalig postdoc Anna Tarakanova en studente Claire Hsu aan het MIT; Dabiao Liu, een universitair hoofddocent aan de Huazhong University of Science and Technology in Wuhan, China; en zes anderen.

Onderzoekers ontdekten onlangs een eigenschap van spinnenzijde genaamd supercontractie, waarin de slanke vezels plotseling kunnen krimpen als reactie op veranderingen in vocht. De nieuwe bevinding is dat niet alleen de draden samentrekken, ze draaien ook tegelijkertijd, zorgen voor een sterke torsiekracht. "Het is een nieuw fenomeen, ' zegt Bühler.

"We vonden dit aanvankelijk per ongeluk, " zegt Liu. "Mijn collega's en ik wilden de invloed van vochtigheid op spider dragline zijde bestuderen." ze hingen een gewicht aan de zijde om een ​​soort slinger te maken, en sloot het op in een kamer waar ze de relatieve vochtigheid binnen konden regelen. "Toen we de luchtvochtigheid verhoogden, de slinger begon te draaien. Het was buiten onze verwachting. Het heeft me echt geschokt."

Het team testte een aantal andere materialen, inclusief mensenhaar, maar vonden zulke draaiende bewegingen niet bij de anderen die ze probeerden. Maar Liu zei dat hij meteen begon te denken dat dit fenomeen "zou kunnen worden gebruikt voor kunstmatige spieren."

"Dit kan heel interessant zijn voor de robotica-gemeenschap, "Bühler zegt, als een nieuwe manier om bepaalde soorten sensoren of besturingsapparaten te besturen. "Het is heel precies in hoe je deze bewegingen kunt beheersen door de luchtvochtigheid te regelen."

Spinzijde staat al bekend om zijn uitzonderlijke sterkte-gewichtsverhouding, zijn flexibiliteit, en zijn taaiheid, of veerkracht. Een aantal teams over de hele wereld werken eraan om deze eigenschappen te repliceren in een synthetische versie van de op eiwit gebaseerde vezel.

Terwijl het doel van deze draaiende kracht, vanuit het oogpunt van de spin, is onbekend, onderzoekers denken dat de supercontractie als reactie op vocht een manier kan zijn om ervoor te zorgen dat een web strak wordt getrokken als reactie op ochtenddauw, misschien om het te beschermen tegen schade en het maximaliseren van zijn reactievermogen op trillingen zodat de spin zijn prooi kan voelen.

"We hebben geen biologische betekenis gevonden" voor de draaiende beweging, zegt Bühler. Maar door een combinatie van laboratoriumexperimenten en moleculaire modellering door de computer, ze hebben kunnen vaststellen hoe het draaimechanisme werkt. Het blijkt gebaseerd te zijn op het vouwen van een bepaald soort eiwitbouwsteen, proline genoemd.

Het onderzoeken van dat onderliggende mechanisme vereiste gedetailleerde moleculaire modellering, die werd uitgevoerd door Tarakanova en Hsu. "We probeerden een moleculair mechanisme te vinden voor wat onze medewerkers in het lab vonden, Hsu legt uit. "En we hebben een potentieel mechanisme gevonden, " op basis van de proline. Ze toonden aan dat met deze specifieke proline-structuur op zijn plaats, de verdraaiing trad altijd op in de simulaties, maar zonder dat was er geen verdraaiing.

"Spider dragline zijde is een eiwitvezel, " legt Liu uit. "Het is gemaakt van twee hoofdeiwitten, genaamd MaSp1 en MaSp2." De proline, cruciaal voor de draaiende reactie, is te vinden in MaSp2, en wanneer watermoleculen ermee interageren, verstoren ze de waterstofbindingen op een asymmetrische manier die de rotatie veroorzaakt. De rotatie gaat maar in één richting, en het vindt plaats bij een drempel van ongeveer 70 procent relatieve vochtigheid.

"Het eiwit heeft een ingebouwde rotatiesymmetrie, " zegt Buehler. En door zijn torsiekracht, het maakt "een hele nieuwe klasse van materialen" mogelijk. Nu dit pand is gevonden, hij stelt voor, misschien kan het worden gerepliceerd in een synthetisch materiaal. "Misschien kunnen we een nieuw polymeermateriaal maken dat dit gedrag nabootst, ' zegt Bühler.

"De unieke neiging van Silk om supercontractie te ondergaan en torsiegedrag te vertonen als reactie op externe triggers zoals vochtigheid, kan worden benut om responsieve materialen op basis van zijde te ontwerpen die nauwkeurig kunnen worden afgestemd op nanoschaal, " zegt Tarakanova, die nu een assistent-professor is aan de Universiteit van Connecticut. "Potentiële toepassingen zijn divers:van door vochtigheid aangedreven zachte robots en sensoren, tot slim textiel en groene stroomopwekkers."

Het kan ook blijken dat andere natuurlijke materialen deze eigenschap vertonen, maar als dat zo is, is dit niet opgemerkt. "Dit soort draaiende beweging kan worden gevonden in andere materialen waar we nog niet naar hebben gekeken, " zegt Buehler. Naast mogelijke kunstmatige spieren, de bevinding zou ook kunnen leiden tot nauwkeurige sensoren voor vochtigheid.