Волокна Super Twist на основе синтетической мышечной ДНК

Потенциальные области применения включают миниатюрные машины, такие как протезы рук и ловкие роботизированные устройства.

Двойная спираль ДНК – один из самых известных символов в науке. Имитируя структуру этой сложной генетической молекулы Мы нашли способ Чтобы сделать синтетические мышечные волокна намного более прочными, чем те, что встречаются в природе, с потенциальным применением во многих типах миниатюрных машин, таких как протезы рук и ловкие роботизированные устройства.

Сила катушки

ДНК – не единственная спираль в природе. Переверните любую книгу по биологии, и вы увидите спирали отовсюду. Альфа-улитка Отдельные белки образуют «спиральные» спирали таких волокнистых белковых комплексов. Кератин В стихах.

Некоторые виды бактерий, такие как СпирохетыПринятие винтовой формы. До th Клеточные стенки растений Он может содержать спирально расположенные целлюлозные волокна.

Мышечная ткань также состоит из спирально свернутых белков, которые образуют тонкие нити. Есть много других примеров, которые поднимают вопрос о том, дает ли улитка особое эволюционное преимущество.

Многие из этих естественных спиральных структур участвуют в движении вещей, например: Открытые ядра семян И крутящиеся стволы, языки и когти. Эти системы имеют общую структуру: спирально ориентированные волокна, встроенные в губчатую матрицу, которые допускают сложные механические действия, такие как изгиб, скручивание, удлинение, укорачивание или скручивание.

Это изменение в реализации сложной морфологии может указывать на причину того, почему спирали так распространены в природе.

Волокна развиваются

Десять лет назад моя работа с искусственными мышцами заставила меня много думать о спиралях. Мы с коллегами открыли простой способ стать сильнее Вращение искусственных мышечных волокон Просто обернув синтетические нити.

Эти волокна пряжи могут вращаться, ослабляя их, когда мы увеличиваем размер нити, нагревая ее, заставляя поглощать мелкие частицы, или заряжая ее как аккумулятор. Усадка волокон вызвала повторное скручивание.

READ  Start the first week of 2021 with Awesome Games Done, Marathon Fast Run

мы Пруфер Эти волокна могут вращать ротор со скоростью до 11500 об / мин. Хотя волокна были небольшими, мы показали, что они могут создавать такой же крутящий момент на килограмм, что и большие электродвигатели.

Ключевым моментом было обеспечение того, чтобы пряжа, спирально расположенная в пряже, была полностью жесткой. Чтобы приспособиться к общему увеличению размера нити, отдельные нити необходимо растягивать или ослаблять. Когда нити слишком жесткие для затягивания, в результате нить ослабляется.

Изучение ДНК

Совсем недавно я понял, что молекулы ДНК ведут себя как наши раскрученные нити. Биологи изучают Одиночные молекулы ДНК Он показал, что двухцепочечная ДНК разделяется при обработке небольшими молекулами, которые встраиваются в структуру двойной спирали.

Основа ДНК представляет собой твердую цепочку молекул, называемых сахарными фосфатами, поэтому, когда небольшие вставленные молекулы отталкивают две цепи ДНК друг от друга, двойная спираль ослабляется. Тоже эксперименты объявиться Если концы ДНК связаны, чтобы предотвратить их вращение, это закручивание приводит к «супер-скручиванию»: молекула ДНК образует петлю, которая обвивается вокруг себя.

Фактически, он стимулирует особые белки. Супер координатор В наших клетках для упаковки небольших молекул ДНК в ядро.

Мы также видим суперобмотку в повседневной жизни, например, когда садовый шланг запутывается. Скручивание любых длинных волокон может привести к сильному короблению, которое известно как «запутывание» при обработке текстиля или «скручивание» при обрыве кабеля.

Супер твист для более сильных искусственных мышц

Появляются наши последние результаты Суперконвертация похожа на ДНК Это может быть вызвано вздутием ранее скрученных волокон ткани. Мы сделали композитное волокно из двух полиэфирных швейных ниток, каждая из которых покрыта гидрогелем, который набухает при намокании и затем обертывает пару вместе.

READ  Google закрывает двери в приложение для покупок - channelnews

Набухание гидрогеля при его погружении в воду приводит к расшатыванию составных волокон. Но если концы волокон зафиксировать так, чтобы они перестали скручиваться, они вместо этого начинают скручиваться.

В результате волокна сжались на 90% от своей первоначальной длины. В процессе усадки она выполняла механическую работу, эквивалентную отниманию 1 джоуля энергии на каждый грамм сухого волокна.

Для сравнения, мышечные волокна таких млекопитающих, как мы, сжимаются только примерно на 20% от своей первоначальной длины и производят рабочую мощность 0,03 джоуля на грамм. Это означает, что такое же подъемное усилие может быть достигнуто с помощью суперноволокна, диаметр которого в 30 раз превышает диаметр нашей мышцы.

Почему искусственные мышцы?

Искусственные мышечные материалы особенно полезны в приложениях, где пространство ограничено. Например, последний мотор моторизован. Протезы рук Это впечатляет, но в настоящее время несовместимо с изобретательностью человеческой руки. Требуется больше двигателей, чтобы воспроизвести полный диапазон движений, типы захвата и силу здорового человека.

Электродвигатели становятся менее мощными из-за их меньшего размера, что делает их менее полезными в протезировании и других миниатюрных машинах. Однако искусственные мышцы поддерживают высокую работу и выработку энергии в небольших пределах.

Чтобы продемонстрировать его потенциальное применение, мы использовали суперскручивающие мышечные волокна, чтобы открывать и закрывать крошечный пинцет. Эти инструменты могут быть частью следующего поколения неинвазивных хирургических или роботизированных хирургических систем.

За последнее десятилетие исследователи представили несколько новых типов искусственных мышц. Это очень активная область исследований, обусловленная потребностью в миниатюрных механических устройствах. Несмотря на то, что был достигнут большой прогресс, у нас все еще нет протеза, который полностью совместим с работой обычных мышц: большие сокращения, высокая скорость, эффективность, длительный срок службы, бесшумная работа и безопасный для использования при контакте с людьми.

READ  Samsung The Frame has a slim design to mimic a wall painting

Новые сверх растянутые мышцы приближают нас на один шаг к достижению этой цели, представляя новый механизм для создания очень сильных сокращений. Наши волокна в настоящее время работают медленно, но мы видим способы значительно увеличить скорость реакции, и это будет в центре внимания текущих исследований.
Беседа

Джефф Спинкс, Старший профессор Австралийского института инновационных материалов, Университет Вуллонгонга, Университет Вуллонгонга

Эта статья была переиздана с Беседа Под лицензией Creative Commons. Прочтите Оригинальная статья.

/ Общий выпуск. Этот материал поступает из первоначального учреждения и может иметь хронологический характер и отредактирован для ясности, стиля и длины. Полное шоу Здесь.

Leonid Morozov

Создатель. Любитель кофе. Любитель Интернета. Организатор. Выродок поп-культуры. Поклонник телевидения. Гордый кулинарa

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Наверх